Базовый КМОП-элемент ИЛИ—НЕ

Рассматриваемый элемент реализован на полевых транзисторах класса металл – диэлектрик – полупроводник с индуцированными каналами р- и n-типов (на комплементарных транзисторах). Название элемента составлено из первых букв слов «комплементарный», «металл», «окисел», «полупроводник».

Основу структуры такого элемента составляет ключ на КМОП-транзисторах, описанный ранее.

Рисунок 2.2.3

Типовые значения напряжений логических 1 и 0, а также питания соответственно равны U¹ ³ 8,2 В, U° = 0,3 В, Е_п = 9 В. По существу КМОП-элемент (рис. 2.2.3) представляет собой делитель напряжения Е_п источника питания. Одно плечо делителя составляют транзисторы VT1, VT2, VT3 (коммутирующие, или управляющие), другое – транзисторы VT4, VT5, VT6 (нагрузочные). В силу разной проводимости каналов транзисторов логический сигнал на входе запирает один из управляющих транзисторов и отпирает нагрузочный транзистор, или наоборот.

Если на любой из входов (например, первый) подается высокий потенциал U¹ (x₁ = l, x₂ = x₃ = 0), то VT1 открывается и сопротивление плеча, состоящего из управляющих транзисторов, уменьшается. Одновременно запирается транзистор VT4 и сопротивление плеча, состоящего из нагрузочных транзисторов, становится весьма значительным – большая часть напряжения Е_п выделяется на нагрузочных транзисторах и на выходе элемента – низкий потенциал U⁰ (y = 0).

Только когда на всех входах присутствует низкий потенциал U⁰ (x_l=x₂ = x₃ = 0), управляющие транзисторы заперты, а нагрузочные – открыты. Поэтому падение напряжения на нагрузочных транзисторах мало, а на управляющих – велико: на выходе высокий потенциал U¹ (у=1). Таким образом, при x₁=1 у=0, при x₁ = x₂ = x₃ = 0 у=1, т. е. элемент реализует функцию ИЛИ–НЕ:

y = x₁ + x₂ + x₃.

Логические КМОП-элементы имеют большие преимущества. В стационарных состояниях в цепи источника Е_п находится запертый транзистор, так что потребляемая элементом мощность незначительна; по существу, потребление энергии происходит при переключении элемента и возрастает с увеличением частоты переключений. Входное сопротивление полевого транзистора весьма велико. Поэтому элементами на полевых транзисторах данный элемент мало нагружается. При исполнении по интегральной технологии полевой транзистор занимает на подложке меньшую площадь, чем биполярный.

По сравнению с биполярным полевой транзистор является менее быстродействующим и имеет большее сопротивление в открытом состоянии, благодаря чему остаточное напряжение на нем сравнительно велико. В структурах, использующих комплементарные полевые транзисторы, эти недостатки ослабляются: первый за счет того, что нагружающая выход емкость оказывается всегда подключенной к цепи, содержащей открытый транзистор (управляющий или нагрузочный), через который она может быстро перезаряжаться, а второй ослабляется регулируемой нагрузкой: малое напряжение на выходе обусловлено большим сопротивлением запертого в это время нагрузочного транзистора.

К классу КМОП относятся, в частности, микросхемы серий К176, 564