Описания базовых логических элементы КМДП типа

Среди цифровых ИС широкого назначения известны следующие схемотехнологические разновидности:

- эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

- транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

- ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ);

- комплементарные схемы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП).

В настоящее время по масштабам и широте использования при изготовлении цифровых ИМС всех уровней сложности, начиная со схем малых и средних степеней интеграции и до сверхбольших интегральных схем (СБИС) на первом месте по применению стоит технология КМДП. Базовыми элементами для построения сложных функциональных узлов в этой технологии считаются инвертор и двунаправленный тактируемый ключ. Рассмотрим электрическую схему инвертора КМДП, которая изображена на рисунке 4.8. Основу этой схемы составляют два встречно включенных МДП-транзистора: VT1 имеет индуцированный канал p-типа, а VT2 – канал n-типа. Затворы этих транзисторов соединены между собой и являются общим входом. Поскольку транзисторы p-типа открываются при отрицательном напряжении смещения затвора относительно истока, а транзисторы n-типа – соответственно при положительном напряжении на затворе, для получения положительной логики исток транзистора с каналом n-типа подключен к минусу источника питания (общий провод), а исток с каналом p-типа – к его плюсу. Общая точка стоков обоих транзисторов служит выходом инвертора. Таким образом, транзисторы в базовой схеме по отношению к выводам питания соединены между собой последовательно, а по отношению к сигналу – параллельно. Этим объясняются многие из особенностей КМДП-схем.

Рисунок 4.8 - Электрическая схема инвертора КМДП

Когда на входе инвертора действует сигнал низкого уровня , можно считать, что затвор транзистора VT2 (n-типа) соединен с истоком, канал отсутствует и транзистор заперт. В это время затвор транзистора VT1 (p-типа) имеет по отношению к своему стоку отрицательный потенциал и транзистор открыт. На выходе, следовательно, существует напряжение высокого уровня . При высоком входном напряжении – наоборот. Схема, таким образом, инвертирует входные сигналы.

Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, сквозной ток в цепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала, определяется только токами утечки. Токи утечки транзисторов не превышают долей микроампера при комнатной температуре, и поэтому выходные уровни ≈ , а ≈ 0 и сигнал на выходе практически равен .

Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме инвертора, достигает значений до 10Ом. Толщина подзатворного диэлектрика имеет величину порядка 50 – 100 нм, и его электрическая прочность не превышает 150 – 200 В. По этой причине очень велика опасность пробоя диэлектрика статическим электричеством. Для защиты транзисторов от действия этого фактора каждый вход микросхемы КМДП снабжается диодно-резисторной охранной цепью, на рисунке – VD1,VD2, VD3 и R1. Данная схема ограничивает напряжение на входе инвертора в пределах от - 0,7 В до + 0,7 В. Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на режим работы ЛЭ. Всегда должно выполняться неравенство

| | <

В противном случае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться, замыкая цепь питания ЛЭ. Поэтому напряжение питания на КМДП - схемы должно всегда подаваться до включения и сниматься после отключения входного сигнала.

На основе инверторов КМДП реализуются многие более сложные схемы. Для построения логических элементов вида И-НЕ (И) либо ИЛИ-НЕ (ИЛИ) транзисторы одного типа соединяются параллельно, а другого – последовательно. Особенностью логических элементов также является наличие двух ярусов транзисторов относительно выходного вывода. Функция, выполняемая всей схемой, определяется транзисторами нижнего яруса. Для реализации операции И-НЕ в положительной логике транзисторы с n-каналом включаются последовательно друг с другом, с р-каналом – параллельно, а для операции ИЛИ-НЕ – наоборот.

На рисунке 4.9 изображена схема логического элемента 2И-НЕ (один ЛЭ микросхемы К176ЛА7). На ней защитные диодно-резисторные цепочки не показаны.

В этой схеме выходное напряжение низкого уровня обеспечивается сигналами высокого уровня на обоих входах. При этом оба n-канальных транзистора будут открыты, а р-канальные – заперты. Если хотя бы на одном входе окажется сигнал низкого уровня один из параллельно включенных транзисторов откроется, а спаренный с ним n-канальный транзистор запрется и на выходе элемента образуется высокий уровень напряжения .

Рисунок 4.9 - Упрощенная схема КМДП-элемента 2И-НЕ

Микросхемы серии К176, выполненные по КМДП-технологии, имеют заметное преимущество перед ИМС серии К155 (ТТЛ) по потребляемой статической мощности, помехоустойчивости и величине входных токов. Однако по быстродействию картина прямо противоположная: среднее время задержки у микросхемы К176ЛА7 составляет 200 нс, а у микросхемы К155ЛА3 – всего 19 нс. Кроме этого, микросхемы серии К155 имеют большую нагрузочную способность по величине тока. По температурному диапазону применения серия КМ155 превосходит серию К176, но это связано только с тем, что первая из них выполняется в керамическом корпусе, а вторая – в пластмассовом.