Логические элементы на КМОП-транзисторах.

Сокращение КМОП означает «комплементарные МОП-транзисторы». Также иногда используется сокращение COSMOS, которое обозначает «комплементарная симметричная МОП-структура». Симметричность КМОП-схем особенно хорошо видна в схеме элемента НЕ, рисунок 1.8. Если на входе А действует H уровень, то транзистор Т₂ открыт, транзистор Т₁ закрыт, и на выходе элемента Z имеется уровень L. Если на входе А действует L уровень, то транзистор Т₂ закрыт, транзистор Т₁ открыт, и на выходе элемента Z имеется уровень H.В КМОП-элементе один из транзисторов всегда закрыт, и такой элемент практически не потребляет ток. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но ненадолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в закрытое, а другой, наоборот, из закрытого состояния переходит в открытое состояние.

Рис. 1.8 – Схема КМОП НЕ элемента	Рис. 1.9 – Схема КМОП И-НЕ элемента

 

 

На рисунке 1.9 приведена схема КМОП И-НЕ элемента. Если на обоих входах действуют H уровни, то транзисторы Т₁и Т₂ закрыты, транзисторы Т₃ и Т₄ открыты, и на выходе элемента Z имеется уровень L.

Если на один вход подан H уровень, а на другой – L уровень, то один из верхних транзисторов Т₁ или Т₂ открывается, а один из нижних транзисторов Т₃ или Т₄ закрывается. Через открытые транзисторы к выходу будет прикладываться H уровень.

В семейство КМОП-схем входит несколько серий ИС. КМОП-серияCD4011Bявляется промышленным стандартом. Быстродействующая КМОП-серия 74HC00 по разъемам и функционально совместима с аналогичной ТТЛ-серией.

 

Реализация логических элементов НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ на элементах 2ИЛИ-НЕ, 2И-НЕ. Синтез логических устройств по заданному логическому выражению. Реализация цифровой схемы в базисе ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

В цифровой эл-ке имеется набор ЛЭ, реализующих ф-и, с помощью которых могут быть получены все остальные ф-и булевой алгебры (конъюнкция, дизъюнкция, инверсия). К таким элементам относятся элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Логический элемент И-НЕ является комбинацией логич-х схем И и НЕ. На вых. логич-го эл-та И-НЕ сигнал уровня 0 будет только в том случае, когда на обоих его входах присутствует сигнал уровня 1. УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И-НЕ представлены в таблице 1.2. Логический элемент ИЛИ-НЕ явл-я комбинацией логич-х схем ИЛИ и НЕ. На выходе логич-го эл-та ИЛИ-НЕ сигнал уровня 1 будет только в том случае, когда на обоих его входах присутствует сигнал уровня 0. УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ ИЛИ-НЕ представлены в таблице 1.2.

Наименование.ЛогическоевыражениеЭлементИ-НЕ

Х1	Х2	F

ЭлементИЛИ-НЕ

Х1	Х2	F

Схемотехнически любая цифровая схема может быть выполнена или на ЛЭ И-НЕ, или на ЛЭ ИЛИ-НЕ.

Преобразования выполняются с помощью теоремы Де-Моргана, правила двойного отрицания и правила повторения.

Первая теорема Де-Моргана: .Вторая теорема Де-Моргана: .

Правило двойного отрицания: .Правило повторения: или .

Преобразование функции ИЛИ (дизъюнкция) к базовому элементу И-НЕ осуществляется с помощью теоремы Де-Моргана, рисунок 1.4.а. Преобразование функции ИЛИ к базовому элементу ИЛИ-НЕ осуществляется согласно правилу двойного отрицания, рисунок 1.4.б.

Преобразование функции И (конъюнкция) к базовым элементам ИЛИ-НЕ и И-НЕ представлено на рисунке 1.5.

 

а)	б)
Рис. 1.5 – Реализация функции И с помощью базового элемента ИЛИ-НЕ (а) и базового элемента И-НЕ (б)

Преобразование функции НЕ (инверсия) к базовым элементам И-НЕ и ИЛИ-НЕ представлено на рисунке 1.6.

Функция НЕ реализуется элементами И-НЕ или ИЛИ-НЕ при объединении их входов. Используется правило повторения.

 

а)	б)
Рис. 1.6 – Реализация функции НЕ с помощью базового элемента И-НЕ (а) и базового элемента ИЛИ-НЕ (б)

И-НЕ

В качестве примера синтезируем на базовых ЛЭ цифровую схему, работа которой описывается логическим выражением (п.1.2): .

Цифровая схема на базовых ЛЭ И-НЕ, работа которой описывается логическим выражением , представлена на рисунке 1.7.

 

Рис. 1.7 – Цифровая схема на базовых ЛЭ И-НЕ, работа которой описывается логическим выражением

ИЛИ-НЕ

В качестве примера синтезируем на базовых ЛЭ цифровую схему, работа которой описывается логическим выражением (п.1.2): .

Цифровая схема на базовых ЛЭ ИЛИ-НЕ, работа которой описывается логическим выражением , представлена на рисунке 1.8.