Реферат: Проектирование сложных логических структур на МДП-транзисторах

5. обеспечивается электрическое согласование с элементами TTL-ИМС и создание экономичных цифровых узлов при совместном использовании TTL и T-TTL-ИМС;

6. значительно снижается потребляемая мощность T-TTL-элементов и повышается быстродействие при использовании диодов Шотки.

Логические элементы на полевых транзисторах

Широкое практическое применение при разработке логических схем получили полевые транзисторы с МДП-структурой.

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы по принципу действия являются аналогами электронных ламп, так как управляются напряжением. Условное Графическое обозначение МДП-транзистора приведено на рис. 6.

Подавая на затвор МДП-транзистора напряжение различного уровня, можно модулировать сопротивление канала сток-исток, то есть изменять значение тока в канале при постоянном напряжении на стоке.

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 >10¹² Ом) 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.