Проектирование сложных логических структур на МДП-транзисторах (стр. 2 из 3)

Различают МДП-транзисторы двух типов проводимости: p- и n- типа.

МДП-транзисторы p-типа отпираются при отрицательном, а n-типа – при положительном смещении напряжения затвора относительно стока.

Логические схемы на МДП-транзисторах p-типа с заземленным истоком требуют отрицательного напряжения питания (схемы отрицательной логики). Логические схемы на МДП-транзисторах n-типа с заземлением требуют положительного питающего напряжения (схемы положительной логики). При построении логических элементов на основе дополняющих МДП-транзисторов с каналами р- и n-типов (КМДП-ИМС) возможно создание схем как положительной, так и отрицательной логики.

Комплементарной (то есть взаимодополняющей) считают пару полевых транзисторов, имеющих одинаковые характеристики, но противоположную полярность питающих напряжений, сигналов управления и токов исток-сток.

Если такую пару соединить следующим образом (рис 7):

(обратите внимание, верхний транзистор «перевернут») то: при напряжении на объединенном затворе (входе), равном 0 В, верхний транзистор будет открыт, а нижний закрыт и на выходе схемы будет

, так как у открытого транзистора сопротивление исток-сток мало, а у закрытого велико (разрыв цепи исток-сток). При U_BX= 1 наоборот.

На рис. 8 приведены четыре варианта выполнения простейших элементов-инверторов на МДП-транзисторах: n-типа (рис. 8,а), р-типа (рис.,б) и на дополняющих транзисторах (рис., в, г). Для схем на дополняющих транзисторах полярность логики зависит от последовательности включения транзисторов р- и n-типов. Если транзистор n-типа непосредственно подключен к общей шине, а транзистор р-типа к источнику питания (рис. 8, г), то элемент работает в режиме положительной логики (уровню логической 1 соответствует U, а уровню логического О соответствует 0 источника питания).

Если транзистор р-типа непосредственно подключен к общей шине, а транзистор n-типа - к источнику питания, то элемент работает в режиме отрицательной логики (уровню логической 1 соответствует «-U», а уровню логического 0 соответствует 0 источника питания).

Передаточные характеристики полевых транзисторов имеют следующий вид (рис. 9).

В первом из них зависимость тока стока 1_С от напряжения на затворе U₃ имеет вид кривой (рис., а). Такой транзистор называют нормально открытым, так как при напряжении затвора, равном нулю, он проводит ток (при U₃ = 0, I_c= max). Второй тип полевого транзистора нормально закрытый. При нулевом потенциале на затворе ток стока транзистора равен нулю (при

, I_c= max) (рис., б).

Затвор МДП-транзистора называют изолированным, поскольку он отделен от истока и стока изолирующим материалом, имеющим очень большое сопротивление. Тем не менее напряжение на затворе создает электрическое поле, которое увеличивает или уменьшает ток, текущий от истока к стоку. Этот «полевой эффект» дал название транзистору – «полевой транзистор».

По этой причине, независимо от напряжения на затворе, никакой ток практически не течет от затвора к истоку или от затвора к стоку. Сопротивления между затвором и другими выводами очень велики, намного больше мегаома. Ток, протекающий по этим сопротивлениям очень мал, обычно меньше одного микроампера (мкА,

А), и называется током утечки.

Само условное обозначение МДП-транзистора напоминает нам, что между затвором и двумя другими выводами нет никакого соединения. Однако изображение МДП-транзистора наводит на мысль, что затвор имеет емкостную связь с истоком и стоком. В быстродействующих схемах мощность, расходуемая при заряде и разряде этих емкостей при каждом изменении входного сигнала, составляет заметную долю потребляемой схемой мощности.

В цифровых электронных устройствах используют преимущественно нормально закрытые полевые транзисторы.

Имеется определенная аналогия между биполярным n-р-n транзистором и полевым нормально закрытым транзистором с каналом n-типа: оба они не проводят ток при нулевом (и отрицательном) смещении на управляющем электроде, оба открываются при положительном смещении на этом электроде, оба достигают тока насыщения.

В логических схемах на МДП-транзисторах одного типа проводимости нагрузкой является нормально открытый МД11-транзистор. В этом случае затвор транзистора-нагрузки подключается к источнику напряжения смещения U_CM, который, как правило, имеет более высокий (по абсолютной величине) уровень напряжения, чем коммутируемое напряжение логической схемы.

В дальнейшем для простоты описания логических схем на МДП-транзисторах будем рассматривать схемы с одним источником питания.

Известны три разновидности схем на МДП-транзисторах: статического, квазистатического и динамического действия.

Специфические свойства МДП-транзисторов сверхвысокое входное сопротивление (R_вх >10¹²Ом) и способность паразитной емкости затвора длительное время сохранять заряд и уровень напряжения на затворе, наиболее широко используются при построении триггерных схем для регистровых и счетных устройств.

Схемы логических элементов статического и динамического действия на МДП-транзисторах n-типа и на дополняющих транзисторах будут рассмотрены ниже.

ЛЭ на одноканальных МДП-структурах

В настоящее время практически полностью осуществлен переход на применение n-канальных МДП-структур для проектирования БИС и СБИС при использовании транзисторов одной структуры. Однако первые достижения при создании МДП-ИМС и БИС связаны с развитием р-канальной технологии, где удалось достигнуть уровня интеграции до 10 транзисторов в кристалле. Однако с распространением р-МДП-ИМС и БИС стали проявляться недостатки р-канальных схем: высокие (по модулю) напряжения питания (-12...-27 В), невысокое быстродействие (менее 1 МГц), значительная потребляемая мощность в статическом режиме (5... 10мВт/вентиль) и сложность согласования с биполярными ИМС, где типовые напряжения питания +3...+5В. По этой причине интенсивное совершенствование МДП-технологии шло в направлении создания n-канальных и КМДП-элементов.

ЛЭ-ты на полевых МДП-транзисторах n-типа, обладая более высоким быстродействием и крутизной передаточной характеристики, позволяют обеспечить единый номинал питающего напряжения +5 В как у биполярных TTL и TTLIII-элементов. По этой причине все основные разновидности логических МДП-элементов статического, квазистатического и динамического действия строятся на одноканальных МДП-транзисторах n-типа.

Основные принципы построения логических схем статического действия на МДП-транзисторах одной структуры во много соответствуют принципам построения транзисторных логических схем с непосредственными связями (DCTL). Так, для построения многовходового вентиля ИЛИ-НЕ к одному нагрузочному МДП-транзистору подключаются стоки m-логических транзисторов, а их истоки – к общей шине (рис. 10). На рис. 10,а приведена схема вентильного элемента ИЛИ-НЕ на два входа, содержащая один нагрузочный транзистор и два логических. Ограничение параметра m_или (коэффициент объединения но входу) такой схемы определяется снижением уровня логической 1 на входе за счет падения напряжения на нагрузке от суммарного тока утечки I₀ цепи сток-исток всех m входных МДП-транзисторов. Поскольку ток I₀ МДП-транзисторов достаточно мал, то параметр m логической схемы может достигать 10 и выше.

Обладая сверхвысоким входным сопротивлением по затвору, МДП-транзистор обеспечивает построение ЛЭ с очень высокой нагрузочной способностью (п > 20). Нагрузочная способность МДП-ИМС n-типа ограничивается лишь снижением быстродействия с ростом числа нагрузок, так как увеличивается постоянная времени заряда паразитной емкости нагрузки С_н током, протекающим через нагрузочный МДП-транзистор.

Интегральная технология МДП-структур позволяет использовать последовательное (ярусное) включение МДП-транзисторов, когда в цепь между нагрузкой и общей шиной включен не один, а два, три или четыре МДП-транзистора по схеме И. В этом случае исток нижнего логического МДП-транзистора подключается к общей шине, а его сток к истоку вышестоящего и т. д. Путь току через нагрузку к общей шине открывается лишь в том случае, если будут открыты МДП-транзисторы всех ярусов.

На рис. а, б двухвходовые схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ имеют высокую нагрузочную способность n, но параметр m_и значительно уступает параметру (обычно mИ

4). Это объясняется тем, что при увеличении числа ярусов схемы И требуются МДП-транзисторы с более высокой крутизной, чем в схемах ИЛИ-НЕ, для сохранения одинакового суммарного сопротивления последовательно включенных транзисторов. Кроме того, ярусное включение транзисторов усложняет топологию и снижает степень интеграции МДП-ИМС n-типа. Вместе с тем ярусное включение позволяет создавать ЛЭ, обладающие большей гибкостью, чем биполярные, при построении сложных функциональных узлов.

На рис. приводятся варианты n-канальных МДП-ИМС, выполняющих двухступенчатые логические функции типа И-ИЛИ-НЕ. Эти ИМС за счет ярусного и параллельного включения транзисторов имеют только одну ступень задержки т_ср на преобразование информации, что соответствует биполярным элементам одноступенчатой логики.