Параметры и характеристики логических элементов различных технологий
Содержание:
Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Элементы КМОП-логики.
Основные параметры логических элементов.
Выводы.
2. Элементы КМОП-логики
Элементы КМОП-логики можно рассматривать как обобщение КМОП-инвертора. Общая закономерность построения таких элементов заключается в том, что параллельное соединение транзисторов с каналами p-типа сопровождается последовательным соединением транзисторов с каналами n-типа и наоборот.
Схема КМОП-элемента, реализующего операцию 2И-НЕ, показана на рис. 4. Транзисторы VT1 и VT2 с каналом p-типа соединены параллельно, а n-канальные транзисторы VT3 и VT4 – последовательно. Подложки и истоки VT1 и VT2 соединены с положительным зажимом источника питания, поэтому U зи1 = U вх1 - E , U зи2 = Uвх 2 - E .
Рис. 4
Пусть на обоих входах действует напряжение низкого уровня: U вх1 = U вх 2 = 0 . Поскольку U зи3 = Uвх1 = 0 , U зи4 = Uвх 2 = 0 , транзисторы VT3 и VT4 закрыты. При этом U зи1 = U зи2 = -E и транзисторы VT1 и VT2 открыты.
Упрощенно цепь на рис. 4 можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 5, а. Напряжения на открытых транзисторах VT1 и VT2 пренебрежимо малы, и выходное напряжение U вых
= E .
Рассмотрим случай, когда Uвх1 = Uвх 2 = E . Теперь U зи1 = U зи 2 = 0 и транзисторы VT1 и VT2 закрыты, а VT3 и VT4 – открыты. Логический элемент можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 5, б. Выходное напряжение U вых = 0 . Таким образом, схема на рис. 4 реализует таблицу истинности логического элемента 2И-НЕ.
Логический элемент на рис. 4 имеет два входа. Каждый новый вход требует включения двух дополнительных транзисторов: p-канального в параллельную цепь и n-канального в последовательную. Это приводит к увеличению площади, занимаемой логическим элементом на кристалле. Увеличивается и паразитная емкость, ограничивающая быстродействие схемы. Поэтому число входов у элементов КМОП-логики, как правило, не превышает четырех.
КМОП-элемент, реализующий операцию 2ИЛИ-НЕ, показан на рис. 6. Здесь p-канальные транзисторы включены последовательно, а n- канальные – параллельно.
Рис. 6
КМОП-элементы ИЛИ-НЕ занимают на кристалле значительно большую площадь, чем элементы И-НЕ. Это объясняется тем, что последовательно соединенные p-канальные транзисторы должны иметь большую ширину канала, чем при параллельном соединении. Действительно, два последовательно соединенных p-канальных транзистора можно рассматривать как один с каналом длиной 2L. Для согласования с n-канальными транзисторами они должны иметь канал шириной
Поэтому в схемах высокой степени интеграции для экономии площади кристалла целесообразно использовать элементы И-НЕ.
В настоящее время КМОП-технологии являются доминирующими при производстве цифровых интегральных схем и практически вытеснили логику на основе биполярных транзисторов. КМОП-логика используется в цифровых интегральных схемах как малой (1–10 логических элементов на кристалле) и средней (10–100 ЛЭ), так и большой степени интеграции. Это обусловлено следующими причинами.
- Логические элементы, изготовленные по КМОП-технологии, потребляют значительно меньшую мощность, чем логические элементы на основе биполярных транзисторов как в статическом, так и в динамическом режимах. Потребление мощности КМОП-элементами обусловлено в основном перезарядом паразитных емкостей при переключении элемента из одного логического состояния в другое.
- Поскольку входы схем являются изолированными затворами МОП-транзисторов, то входные токи очень малы. Поэтому коэффициент разветвления по выходу очень высок. Высокое входное сопротивление МОП-транзисторов позволяет использовать накопленный заряд для хранения входной информации. Это свойство широко используется в микросхемах памяти.
- МОП-транзистор занимает на кристалле значительно меньшую площадь, чем биполярный. Современные технологии производства СБИС позволяют создавать МОП-транзисторы с длиной канала 0.06 мк. Уменьшение геометрических размеров, а также малое потребление мощности дают возможность изготавливать СБИС, которые содержат десятки миллионов МОП-транзисторов.
|
