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.
Базовым элементом логических ИМС на МДП-транзисторах является инвертор (элемент НЕ). На рис. 10.18 показаны схемы инверторов на МДП-транзисторах с каналом р -типа с одним (а) и двумя (б) источниками питания.
Рис. 10.18. Схемы инверторов на МДП-транзисторах (а, б) и графики входных и выходных напряжений (в)
Транзисторы VT1 обеих схем имеют более узкие и длинные каналы по сравнению с транзисторами VT2. Поэтому если оба транзистора VT1 и VT2 открыты, то R к1» R к2. Если х= 1,т. е. │ U вх│>│ U ЗИ пор│, то транзисторы VT2 оказываются открытыми. Так как при этом R к1» R к2, то напряжение на выходе близко к нулю (рис. 10.18, в).
Если х = 0, т. е. │ U вх│<│ U ЗИ пор│, то транзисторы VT2 закрываются, а транзисторы VT1 находятся на грани запирания. При этом R к1 «R к2 и на выходе устанавливается напряжение с низким отрицательным уровнем, соответствующим логической 1.
Включение в цепь затвора транзистора VT1 дополнительного источника напряжения │ Е з│>│ Е с│повышает помехоустойчивость ЛЭ.
Для получения ЛЭ ИЛИ — НЕ на МДП-транзисторах параллельно транзисторам VT2 подключают требуемое количество однотипных транзисторов. Число параллельно включенных транзисторов определяет число входов (рис. 10.19, а). В ЛЭ И — НЕ дополнительные транзисторы включаются последовательно с транзистором VT2 (рис. 10.19, б).
Рис. 10.19. Схемы трсхвходовых логических элементов ИЛИ — НЕ (а) и И - НЕ (б) па МДП-транзисторах
Для повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности ЛЭ строятся на комплементарных МДП-транзисторах (элемены КМДП-ТЛ), имеющих различные типы электропроводности каналов.
На рис. 10.20, а показана схема двухвходового ЛЭ ИЛИ — НЕ, выполненного на комплементарных МДП-транзисторах. Параллельно соединенные транзисторы VT3 и VT4 с каналом п -типа являются управляющими, а транзисторы VT1 и VT2 с каналом р -типа — нагрузочными. Управляющие транзисторы образуют нижнее, а нагрузочные — верхнее плечо делителя, с которого снимается выходное напряжение.
Если на входах х 1 и х 2напряжение низкого уровня: и вх = U 0вх< U ЗИ пор, то транзисторы VT3 и VT4 закрыты. Исток транзистора VT1 с каналом р -типа подключен к плюсу источника Е с, поэтому напряжение его затвора U ЗИ VT1 < 0 и превышает по абсолютному значению пороговое напряжение. Транзистор VT1 открыт, сопротивление его канала мало и напряжение истока транзистора VT2 близко к напряжению + Е с. Следовательно, транзистор VT2 также открыт, и сопротивление верхнего плеча оказывается значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча. На выходе устанавливается напряжение высокого уровня, близкое к напряжению источника питания.
Если хотя бы на один вход Х1 или Х2 поступает напряжение высокого уровня, то соответствующий транзистор нижнего плеча открывается, а верхнего плеча — закрывается. На выходе образуется напряжение низкого уровня, близкое к нулю.
В логических элементах И — НЕ КМДП-ТЛ (рис. 10.20, б) управляющие МДП-транзисторы с канналом
Рис. 10.20. Схемы логических элементов ИЛИ — НЕ (а) и И — НЕ (б) на КМДП-транзисторах
п -типа VT3 и VT4 включены последовательно, а нагрузочные с каналами р -типа — параллельно. Сопротивление нижнего плеча будет мало в том случае, если открыты оба транзистора VT3 и VT4,т. е. когда на входах x 1и х 2действуют напряжения, соответствующие логическим единицам. При этом U вых ≈ 0 и соответствует логическому нулю. Если на одном из входов будет напряжение низкого уровня, то один из транзисторов VT1 или VT2 открыт, а один из транзисторов VT3 или VT4 закрыт. При этом сопротивление верхнего плеча значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча, и уровень выходного напряжения соответствует логической единице.
Логические элементы КМДП-ТЛ отличаются малым потреблением мощности (десятки нановатт), достаточно высоким быстродействием (до 10 МГц и более), высокими помехоустойчивостью и коэффициентом использования напряжения источника питания { U 1вых — U 0вых ≈ Е с). Их недостатком является большая сложность изготовления по сравнению с ЛЭ МДП-ТЛ.
Контрольные вопросы и задания
1.Запишите таблицы состояний логических операций НЕ, И, ИЛИ,
И - НЕ, ИЛИ — НЕ, ЗАПРЕТ.
2.Поясните принцип работы последовательного диодного ключа.
3.Изобразите схему ключа на БТ. Каким образом осуществляется
управление работой такого ключа?
4.Почему при включении между базой и коллектором БТ диода
Шоттки быстродействие транзисторного ключа увеличивается?
5.В чем преимущества ключей на ПТ в сравнении с ключами
на БТ?
6.Назовите основные параметры логических элементов.
7.Поясните работу ЛЭ, показанных на рис. 10.11 и рис. 10.12.
8.Поясните выполнение логических операций ИЛИ и ИЛИ — НЕ
в ЛЭ, изображенных на рис. 10.15.
9.Поясните выполнение логической операции ИЛИ — НЕ в ЛЭ,
изображенном на рис. 10.17..
10. Поясните работу ЛЭ, изображенных на рис. 10.19. Какие
логические операции выполняются этими элементами?
