Работа 8.5

Исследование элементов 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.

На рис. 8.5.1 показана схема КМОП-элемента, реализующего операцию 2И-НЕ. На рис. 8.5.1 p-канальные транзисторы VT1 и VT2 соединены параллельно, а  n-канальные транзисторы VT3 и VT4 – последовательно. Подложки и истоки VT1 и VT2 соединены с положительным зажимом источника питания, поэтому , .

Пусть на обоих входах действует напряжение низкого уровня:  . Поскольку , , транзисторы VT3 и VT4 закрыты. При этом    и транзисторы VT1 и VT2 открыты. Упрощенно цепь на рис. 8.5.1 можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8.5.2, а. Напряжения на открытых транзисторах VT1 и VT2 пренебрежимо малы, и выходное напряжение .

Рис. 8.5.1

Рассмотрим случай, когда . Теперь  и транзисторы VT1 и VT2 закрыты, а VT3 и VT4 – открыты. Логический элемент можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8.5.2, б. Выходное напряжение   . Таким образом, схема на рис. 8.5.1. реализует таблицу истинности логического элемента 2И-НЕ.

а                                                 б

Рис. 8.5.2

Логический элемент на рис. 8.5.1 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.

Рис. 8.5.3

КМОП-элемент, реализующий операцию 2ИЛИ-НЕ, показан на рис. 8.5.3.  Здесь  p-канальные  транзисторы включены последовательно, а  n-канальные – параллельно.
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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Рекомендации по сборке схем

При сборке схем логических элементов использовать модели  МОП-транзисторов с каналами n- и p- типов IRF150 из библиотеки EVAL.slb. Необходимо выбирать транзисторы с размерами канала, соответствующими варианту (табл. 5.2.1). Пример схемы можно найти в файле W8.5_1 – в папке  MsimEv_8\Labs.

Рекомендуемая литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. /
   Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
4. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.