Данное пособие подойдёт для студентов первых курсов, обучающихся по направлению "Электроника" и смежных с ним специальностей, а также для начинающих радиолюбителей и схемотехников.
В пособии будет представлена необходимая базовая теория и практические задачи для её закрепления.
Ссылки на полное оглавление пособия, на предыдущую на следующую главы.
Приятного чтения!
3.3.1. Особенности КМОП-логики
В отличии от логик, построенных на базе биполярных транзисторов, комплементарная логика, основанная на полевых транзисторах, обладает очень малым энергопотреблением в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью КМОП структур является одновременное использование как p-, так и n-канальных полевых транзисторов, благодаря чему достигается более высокая скорость действия с меньшим энергопотреблением. Однако, с конструктивной точки зрения, она характеризуется более сложной технологией изготовления, а также меньшей плотностью упаковки (отчасти это будет заметно при выполнении дальнейших заданий). Но, не смотря на её недостатки, именно данный вид транзисторной логики используется в современных логических схемах и процессорах.
3.3.2. КМОП Инвертор
Как видно из рис.3.3.2.1., при подаче «+» напряжения питания на затворы p- и n- канального транзисторов, откроется только нижний n-канальный транзистор. Верхний p-канальный транзистор будет закрыт и не пропустит ток от источника питания из-за высокого входного сопротивления, в связи с чем на выходе схемы тока не будет (т.е. на выходе имеем логический «0»). Если же мы подадим «-» питания на оба затвора, то получим обратную картину – нижний транзистор будет закрыт, а верхний – открыт, и таким образом на выходе схемы будет течь ток (т.е. на выходе имеем логическую «1»).
Замечание к схеме: для демонстрации её работы подключите светодиод к выходу схемы, аналогично схемам, собранных на биполярных транзисторах. Также следует добавить токоограничивающий резистор перед истоком p-канального (верхнего) полевого транзистора (номинала в 1кОм будет вполне достаточно). Подключаются транзисторы следующим образом – «+» питания, через резистор, подключаете к истоку p-канального транзистора, а вывод его стока соедините со стоком n-канального транзистора. Вот и всё. Ваша схема работает.
3.3.3. КМОП «И-НЕ»
Применение КМОП-логики для реализации логических элементов «И» и «ИЛИ» немного сложнее, однако, вполне выполнимая задача. Но для её выполнения необходимо использовать несколько иные конструкции, чем у биполярных аналогов, в связи с одновременным применением p- и n- канальных полевых транзисторов с индуцированным каналом. Наиболее оптимальным вариантом является реализация базовых логических элементов «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» с дальнейшим присоединением к выходу данных схем логического инвертора, благодаря чему сигнал на выходе будет соответствовать логическим функциям «И» и «ИЛИ».
Логические схемы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» Вы можете собрать и на биполярных транзисторах, используя соответствующие логические элементы на их основе и присоединяя к их выходам логические инверторы, так же выполненные на биполярных транзисторах.
Начнём со сборки логического элемента «И-НЕ»:
Обратите внимание на то, что транзисторы Q1 (p-канальный) и Q3 (n-канальный) напоминают последовательно-включённую комплементарную пару из схемы КМОП инвертора. Следует также отметить, что Q2 и Q4 подобным же образом управляются одним входным сигналом (вход B), и они будут также работать на включение/выключение. У верхних транзисторов обеих пар (Q1 и Q2) исток и сток включены параллельно, в то время нижние транзисторы (Q3 и Q4) включены последовательно. Это значит, что на выходе будет высокий логический уровень, если один из верхних транзисторов будет находиться в режиме насыщения, и низкий уровень — только если оба транзистора будут находиться в режиме насыщения. На следующих иллюстрациях (рис.3.3.3.2) показана работа элемента И-НЕ при всех четырёх возможных комбинациях входных сигналов (00, 01, 10, и 11) :
Основываясь на знаниях, полученных в предыдущих главах, мы понимаем, что на рис.3.3.3.1. перед нами представлена логическая схема «2И-НЕ», а её логическая функция в булевой алгебре выглядит следующим образом:
Принцип работы данной схемы прост – элемент «И-НЕ» работает также, как «И», только выходной сигнал инвертируется инвертером на выходе (т.е. там, где у «И» на выходе должен быть «0», у «И-НЕ» «1» и наоборот).
Чтобы превратить «И-НЕ» в «И», как уже было сказано ранее, необходимо подключить к выходу данной логической схемы инвертер таким образом, как это показано на рис.3.3.3.4.
3.3.4. КМОП «ИЛИ-НЕ»
Как и в случае элемента «И-НЕ» в схеме логического элемента «ИЛИ-НЕ» транзисторы Q1 и Q3 работают как комплементарная пара, так же как и транзисторы Q2 и Q4. Управление каждой парой осуществляется одним входным сигналом. В качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. Ток от источника питания на выход микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход микросхемы не будет.
Рассмотрим этот принцип действия схемы подробнее: если подаётся входной сигнал А или входной сигнал В высокого логического уровня, то, по крайней мере, один из нижних транзисторов (Q3 или Q4) будет находиться в состоянии насыщения, и при этом на выходе будет сигнал соответствующий логическому нулю. Только в том случае, если на оба входа будут поданы сигналы логического нуля, оба нижних транзистора будут находиться в режиме отсечки, а оба верхних транзистора — в режиме насыщения, что соответствует условию выходного сигнала высокого логического уровня. Именно такова работа логического элемента «ИЛИ-НЕ».
Логическая функция «ИЛИ» может быть создана с помощью элемента «ИЛИ-НЕ» с добавлением инверторного каскада на выходе, как это показано на рис.3.3.4.2:
Основываясь на знаниях, полученных в предыдущих главах, мы понимаем, что на рис.3.3.4.1. перед нами представлена логическая схема «2И-НЕ», а её логическая функция в булевой алгебре выглядит следующим образом:
Принцип работы данной схемы прост – элемент «ИЛИ-НЕ» работает также, как «ИЛИ», только выходной сигнал инвертируется инвертером на выходе (т.е. там, где у «ИЛИ» на выходе должен быть «0», у «ИЛИ-НЕ» «1» и наоборот).