Логические элементы на МДП-транзисторах

При построении логических ИМС используют МДП-транзисторы с индуцированным n- или p-каналом. Предпочтение отдается n-канальным транзисторам, которые обеспечивают большее быстродействие логических ИМС, а самое главное – их полную совместимость по номиналу питания и логическим уровням сигналов 0 и 1.

На рис. 3.35.а приведен базовый ЛЭ n – МДП, реализующий логическую функцию ИЛИ – НЕ. При подаче высокого уровня напряжения хотя бы на один из входов схемы открывается соответствующий транзистор (T1 или T2) и на выходе устанавливается низкий уровень (логический 0). Если на обоих входах логический 0, то T1 и T2 закрыты и на выходе - высокий уровень напряжения, т.е. логическая 1. Нагрузочный транзистор T3 всегда открыт и работает в пологой области выходной характеристики, поэтому высокий уровень напряжения равен . Для обеспечения малого значения низкого уровня напряжения необходимо, чтобы сопротивление канала открытого транзистора T1 или T2 было много меньше сопротивления канала нагрузочного транзистора T3. Поэтому открытые транзисторы T1 и T2 работают в крутой области выходной характеристики.

 

Базовый элемент (рис. 3.35.б) реализует функцию И – НЕ. Если хотя бы один из управляющих транзисторов T1 и T2 закрыт (на его входе низкий уровень сигнала), то на выходе ЛЭ будет высокий уровень напряжения. Схема переключается по выходу в состояние логического нуля, только при подаче на все входы одновременно логической единицы. Так как при последовательном включении транзисторов T1 и T2 уменьшается эквивалентная крутизна их характеристик, то возрастает остаточное напряжение . Поэтому помехоустойчивость схемы ИЛИ – НЕ выше, чем схемы И – НЕ.

С увеличением числа входов помехоустойчивость схемы И – НЕ уменьшается, что ограничивает максимальное число входов. В схеме ИЛИ – НЕ максимальное число входов ограничивается требуемым быстродействием логических ИМС. Нагрузочная способность МДП – схем велика, так как входные токи в МДП–транзисторах практически отсутствуют, и зависит только от требуемого быстродействия (увеличивается емкость нагрузки ).

Широкое распространение получили ИМС с использованием комплементарных МДП–транзисторов (КМДП – логика). На основе инверторов КМДП–типа реализуются ЛЭ вида И–НЕ и ИЛИ–НЕ, приведенные на рис. 3.36.

В базовом ЛЭ И-НЕ управляющие транзисторы T1 и T2 соединены последовательно, а нагрузочные T3 и T4 – параллельно. При подаче на все входы схемы сигналов , управляющие транзисторы T1 и T2 открыты, а нагрузочные T3 и T4 закрыты. На выходе ЛЭ устанавливается низкий уровень сигнала . При действии низкого уровня сигнала на входах схемы оба управляющих транзистора T1 и T2 закрыты, а транзисторы T3 и T4 открыты, и на выходе ЛЭ будем иметь высокий уровень сигнала . Состояние схемы не изменится, если напряжение поступает только на один из входов, так как один из управляющих транзисторов остается закрытым, а один из нагрузочных транзисторов открыт.

В базовом элементе ИЛИ-НЕ (рис. 3.36.б) управляющие транзисторы T1 и T2 соединены параллельно, а нагрузочные T3 и T4 – последовательно. Когда на обоих входах присутствуют сигналы низкого уровня , управляющие транзисторы T1 и T2 закрыты, а нагрузочные T3 и T4 открыты, напряжение на выходе . Если хотя бы на одном из входов устанавливается сигнал высокого уровня , один из управляющих транзисторов открыт, а парный с ним нагрузочный транзистор закрыт, напряжение на выходе имеет низкий уровень сигнала .

Логические элементы с большим числом входов организованы подобным же образом. Коэффициент объединения для схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ обычно равен . КМДП-логика характеризуется высокой эффективностью использования напряжения источника питания, так как логический перепад сигнала в обоих схемах . Для обеспечения совместимости КМДП и ТТЛ схем по уровням сигналов напряжение источника питания выбирают равным , однако при этом КМДП-схемы имеют низкое быстродействие. КМДП-схемы обладают высокой помехоустойчивостью (при наиболее неблагоприятных условиях) и высокой нагрузочной способностью.

Вопросы для самопроверки

1. Нарисуйте принципиальную схему насыщенного ключа на биполярном транзисторе.

2. Постройте нагрузочную прямую для ключа и отметьте на ней точки, соответствующие режиму насыщения и отсечки.

3. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму отсечки, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

4. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму насыщения, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

5. От чего зависят токи транзистора в режиме насыщения. Запишите их значения.

6. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при открывании транзистора.

7. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность положительного фронта импульса?

8. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при закрывании транзистора.

9. Почему при закрывании транзистора ток базы становится отрицательным?

10. Как можно уменьшить время рассасывания в насыщенном ключе?

11. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность отрицательного фронта импульса?

12. Нарисуйте принципиальную схему ключа с ускоряющей емкостью.

13. Объясните, почему включение конденсатора позволяет сократить время переходного процесса.

14. Нарисуйте принципиальную схему ключа с нелинейной обратной связью.

15. Объясните работу ключа с нелинейной обратной связью.

16. Нарисуйте принципиальную схему транзисторного переключателя тока и объясните принцип его работы.

17. Почему переключатель тока имеет высокое быстродействие?

18. Нарисуйте схему ключа на n-канальных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

19. Нарисуйте схему ключа на комплементарных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

20. Укажите основные достоинства ключа на комплементарных транзисторах.

21. Какие логические операции Вы знаете?

22. По каким признакам классифицируют логические элементы?

23. Назовите основные параметры логических элементов.

24. Нарисуйте простейшую схему ЛЭ ТТЛ и объясните принцип его работы.

25. Укажите основные недостатки простейшего ЛЭ ТТЛ.

26. Нарисуйте схему базового ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

27. Объясните принцип работы ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

28. Нарисуйте схему ЛЭ ТТЛ с тремя выходными состояниями.

29. Нарисуйте схему базового ЛЭ ЭСЛ.

30. Объясните принцип работы базового ЛЭ ЭСЛ.

31. Укажите основные достоинства и недостатки ЭСЛ.

32. Нарисуйте схему базового ЛЭ И²Л и объясните принцип его работы.

33. Укажите основные достоинства и недостатки И²Л.

34. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ n-МДП – логики и объясните принцип их работы.

35. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ КМДП – логики и объясните принцип их работы.

36. Укажите основные достоинства и недостатки КМДП – логики по сравнению с ТТЛ.