Лекция №13 Логические элементы на мдп-транзисторах. Инвертор на основе мдп транзисторов

Лекция №13
Логические элементы на МДП-транзисторах. Инвертор на основе МДП транзисторов
Из полевых транзисторов при создании ЛЭ наибольшее распространение получили МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Это объясняется более высокой помехозащищенностью таких ЛЭ по сравнению с ЛЭ на полевых транзисторах других типов и использованием для питания и управления напряжений одинаковой полярности, что облегчает задачу последовательного соединения элементов.
Технология МДП-транзисторов более простая, а занимаемая ими площадь в кристалле меньше, чем у биполярных транзисторов. Это позволяет создавать на основе МДП-транзисторов интегральные схемы среднего и большого уровня интеграции со сравнительно большим процентом выхода годных микросхем. Если логические интегральные элементы построены на МДП-транзисторах (МДП-ТЛ) с каналом р-типа, то для их работы используются источники отрицательного напряжения.
Состоянию логической 1 соответствует высокий отрицательный уровень напряжения, а состоянию логического 0 — уровень напряжения, близкий к нулю. Следовательно, функционирование таких ЛЭ описывается отрицательной логикой. Работа ЛЭ на МДП-транзисторах с каналом n-типа описывается положительной логикой. Такие ЛЭ имеют более высокое быстродействие и по своим логическим уровням совместимы с элементами ТТЛ. Этим объясняется их более широкое применение по сравнению с ЛЭ на МДП-транзисторах с каналом р-типа
Полевые транзисторы являются наиболее перспективными полупроводниковыми приборами для создания логических и других интегральных схем большой и сверхбольшой степени интеграции. Практическое применение при разработке интегральных логических схем получили полевые транзисторы с МДП-структурой и индуцированным каналом п- или p- типа. Наиболее распространены две разновидности логических схем:

• 
  МДП-логика с нагрузочным транзистором;
  
• 
  логика на комплементарных транзисторах.
  

Особенностью интегральных микросхем на МДП-транзисторах
является возможность реализации любых логических функций с помощью только МДП-транзисторов. Кроме того, МДП-транзисторы имеют следующие достоинства:

• 
  возможность использования транзистора в качестве нагрузки, что обеспечивает высокую однородность интегральных схем;
  
• 
  высокая помехоустойчивость (2...6 В) по сравнению с биполярными транзисторами (0,6 В);
  
• 
  малая мощность рассеяния в статическом режиме, особенно при использовании в схеме транзисторов разного типа проводимости канала;
  
• 
  наличие одного источника питания, что обеспечивает простоту схемы;
  
• 
  устойчивость к нейтронной составляющей радиационного воздействия.
  

К недостаткам МДП-транзисторов следует отнести:

• 
  большое пороговое напряжение;
  
• 
  высокое напряжение питания;
  
• 
  относительно невысокое быстродействие;
  
• 
  малая крутизна, снижающая нагрузочную способность элементов по току и ухудшающая отношение скорости переключения к мощности рассеяния.
  

Схемы на МДП-транзисторах с каналом p-типа имеют малую стоимость и более технологичны, время прохождения сигнала у них в 8... 10 раз меньше, чем у схем на транзисторах с каналом я-типа. По быстродействию схемы на МДП-транзисторах с каналом я-типа не уступают ТТЛ-схемам, обеспечивая меньшую мощность рассеяния и более высокую плотность размещения компонентов, чем ТТЛ-схемы.
Логические интегральные микросхемы на МДП-транзисторах бывают следующих типов: статические, динамические и квази-статические. Элементной базой для построения таких схем являются простейшие логические элементы, реализующие логические функции И-НЕ (схемы типа ЛА), ИЛИ-HE (схемы типа ЛЕ), И (схемы типа ЛИ), НЕ (схемы типа ЛН) и комбинированные (схемы типа ЛП, ЛС). Использование базовых элементов позволяет построить цифровое устройство с любым алгоритмом функционирования. В логических схемах получили распространение схемы статического типа.
Типовые схемы МДП-логики с нагрузочным транзистором, реализующие логические функции ИЛИ-HE и И-НЕ, показаны на рис. 1. В этих двух схемах транзисторы УТ_г и VT₂ выполняют роль ключевых элементов. Транзисторы VT₃ выполняют роль нагрузки. Ключевые транзисторы можно соединять параллельно (рис. 1, а) и последовательно (рис. 1, б). Параллельное соединение нескольких ключевых транзисторов ограничено снижением уровня логического нуля на выходе схемы за счет падения напряжения на нагрузке от суммарного тока утечки всех ключевых МДП-транзисторов. Поскольку ток утечки мал и составляет порядка Ю^-10 А, то число параллельно включенных транзисторов может достигать 10 и более.
При последовательном соединении в цепь между нагрузкой и землей включают несколько МДП-транзисторов. При этом исток нижнего МДП-транзистора подключается к земле, его сток — к истоку вышестоящего и т.д. Протекание тока через нагрузку к земле может происходить, только если открыты все ключевые транзисторы. Обычно число последовательно соединяемых транзисторов не более трех. Это связано с тем, что с увеличением числа последовательно соединенных транзисторов повышается уровень логического нуля на выходе схемы, поскольку суммарное сопротивление открытых ключевых транзисторов возрастает. Последовательное включение требует применения МДП- транзисторов с более высокой крутизной характеристик, чем при параллельном включении. Последовательное включение транзисторов усложняет топологию и уменьшает степень интеграции,

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема, условное обозначение, таблица истинности КМДП-логики: а — реализующая операцию ИЛИ-HE; б — реализующая операцию И-НЕ ухудшает быстродействие, но позволяет создавать логические микросхемы, обладающие большей гибкостью, чем микросхемы на биполярных транзисторах.
Реализация функции ИЛИ-HE осуществляется следующим образом (рис.1,а). При подаче на один из входов положительного сигнала логической единицы соответствующий логический (ключевой) транзистор открывается. Если одновременно на все входы подается логическая единица, то все логические транзисторы открыты. Выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытых логических транзисторах и близко к нулю. Если на входах отсутствует сигнал, т.е. действует логический нуль, то логические транзисторы закрыты, выходное напряжение приближается по величине к напряжению источника питания.
Последовательное включение транзисторов позволяет реализовать логическую операцию И-НЕ (рис.1,б). При одновременной подаче положительных сигналов логической единицы на все входы все МДП-транзисторы открываются и на выходе схемы — логический нуль.
Достоинством логики этого типа является простота схем, применение транзисторов одного типа проводимости, высокое входное сопротивление порядка 10¹² Ом, высокая нагрузочная способность (п = 10...20), технологичность в изготовлении. Недостатком логики данного типа является низкое быстродействие, обусловленное влиянием паразитной емкости.
Наиболее перспективными являются логические схемы, выполненные на КМДП-транзисторах. Комбинируя различные включения этих транзисторов, можно получить заданную логическую функцию. Если транзистор с каналом п-типа непосредственно подключен к шине «земля», а транзистор с каналом р-типа — к источнику питания, то логическая схема работает в режиме положительной логики.
Реализация логической функции И-НЕ осуществляется последовательным соединением МДП-транзисторов с каналом «-типа и параллельным соединением МДП-транзисторов с каналом p-типа, которые открыты при напряжениях затворов, близких к нулю. Предположим, что на вход 1 (рис. 2, а) подается сигнал логического нуля, транзистор VT₃ закрыт, а транзистор VT₂ открыт и выходное напряжение близко к напряжению источника питания. Если на все входы подается сигнал логической единицы, то транзисторы VT₃ и FT₄ открыты, а транзисторы VTi и VT₂ закрыты. Выходное напряжение стремится к потенциалу земли (логический нуль).