Логические КМОП (КМДП) инверторы

Микросхемы на комплементарных транзисторах (КМОП) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП микросхему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток через КМОП микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. Его схема приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП инвертор)

На этой схеме для упрощения понимания принципов работы КМОП микросхемы не показаны защитные и паразитные диоды. Особенностью микросхем на комплементарных МОП транзисторах (КМОП микросхем) является то, что в этих микросхемах в статическом режиме ток практически не потребляется.Потребление тока происходит только в момент переключения КМОП микросхемы из единичного состояния в нулевое и наоборот. Этот ток вызван двумя причинами — одновременным переходом верхнего и нижнего МОП транзисторов в активный режим работы и перезарядом паразитной ёмкости нагрузки.

В результате этой особенности КМОП микросхем, они обладают преимуществом перед рассмотренными ранее видами цифровых микросхем — потребляют ток в зависимости от поданной на вход тактовой частоты. Примерный график зависимости потребления тока КМОП микросхемы в зависимости от частоты ее переключения приведен на рисунке 4.2

Рисунок 4.2. Зависимоть тока потребления КМОП микросхемы от частоты

Логические КМОП (КМДП) элементы "И"

Схема логического элемента "И-НЕ" на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой "И" на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП), приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)

В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный резистор, однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий — то закрываются.

В приведённой на рисунке 4.2 схеме логического КМОП элемента "И", ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП элемента "И" будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же как и в схеме, приведенной на рисунке 4.1, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП микросхемой от источника питания потребляться не будет.

Условно-графическое изображение КМОП логического элемента "2И-НЕ" показано на рисунке 4.4, а таблица истинности приведена в таблице 4.1. В таблице 4.1 входы обозначены как x1 и x2, а выход — F.

Рисунок 4.4. Условно-графическое изображение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 4.1. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"

Логические КМОП (КМДП) элементы "ИЛИ"

Логический элемент "ИЛИ", выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы "2ИЛИ", рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах

В схеме КМОП логического элемента "2ИЛИ-НЕ" в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП 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 двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП микросхемы не будет.

Таблица истинности логического элемента "2ИЛИ-НЕ", реализуемая КМОП микросхемой, приведена в таблице 4.2, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6. Условно-графическое изображение элемента "2ИЛИ-НЕ"

Таблица 4.2. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"

В настоящее время именно КМОП микросхемы получили наибольшее развитие. Причём наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания. Первые серии микросхем такие как К1561 (иностранный аналог C4000В) обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (3..18В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается её предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные КМОП микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания, например, SN74HC.