Логические элементы на полевых транзисторах

Особенности ЛЭ на полевых транзисторах:

1. высокая технологичность;

2. малая потребляемая мощность в статическом состоянии;

3. высокое входное сопротивление;

4. сравнительно невысокое выходное сопротивление, позволяющее работать ЛЭ на емкостную нагрузку (до 500 пФ);

5. сравнительно невысокое быстродействие, обусловленное наличием большой входной емкости;

6. среднее время задержки до 20 нс.

Обычно логические элементы строят на комплиментарных транзисторах (серия КМОП: К176, К561, К564, К765).

Транзисторы VT₁, VT₂, VT₃ соединены в схеме параллельно, а транзисторы VT₄, VT₅, VT₆ — последовательно (ярусно).

1) Если на всех входах X₁=X₂=X₃=0, то транзисторы VT₄, VT₅, VT₆ закрыты, а транзисторы VT₁, VT₂, VT₃ — открыты. Тогда F=1, и на выходе — напряжение, примерно равное E.

2) Если X₁=X₂=0, а X₃=1, то транзисторы VT₁, VT₂, VT₆ открыт, а VT₃, VT₄, VT₅ — закрыты, и F=1.

3) Если X₁=X₂=X₃=1, то есть u_ВХ>E_З0 для транзисторов VT₄, VT₅, VT₆, то F=0.

Мощность, потребляемая схемой в статическом состоянии P_СТ=0,1 мВт.

Транзисторы VT₁, VT₂, VT₃ с p-каналом соединены в схеме последовательно, а транзисторы VT₄, VT₅, VT₆ — параллельно.

1) Если на всех входах X₁=X₂=X₃=0, то транзисторы VT₄, VT₅, VT₆ закрыты, а транзисторы VT₁, VT₂, VT₃ — открыты. Тогда F=1.

2) Если X₁=X₂=0, а X₃=1, то транзистор VT₆ открывается, а VT₃ — закрывается, и F=0.

Для повышения помехоустойчивости рассматриваемых ЛЭ на входе ставят инвертор.

Диод VD₁ защищает входную цепь от слишком больших входных сигналов. При u_ВХ>E диод VD₁ открывается. Диоды VD₂ и VD₃ и резистор R защищают входные цепи транзисторов VT₁ и VT₂ от статического напряжения. Если входное статическое напряжение U_СТ<0, срабатывает диод VD₃.

Постоянная времени

t=R₁×C = 10 нс, (1.21)

где С — барьерная емкость диода, то есть она мало сказывается на быстродействии логического элемента.

Сопротивление R₁ и барьерная емкость C диода образуют интегрирующую цепь. Используя ее, можно уменьшить сопротивление на затворе транзистора. В большинстве логических элементов такая цепь ставится на входе. Ее включение позволяет увеличить напряжение помех на входе до значения U_ПОМ = 0,3×E.

Для повышения нагрузочной способности ЛЭ на выходе включают простой или сложный инверторы.

На полевых транзисторах легко реализуется схема ЛЭ с тремя устойчивыми состояниями.

Если транзисторы VT₁ и VT₄ закрыты, то выходное сопротивление такой схемы велико (высокоимпедансное состояние). На входы вспомогательных транзисторов VT₁ и VT₂ подается сигнал EZ, дающий разрешение для работы транзистора.

Часто требуется согласовать элементы ТТЛ и элементы КМОП. Для ТТЛ U_ВЫХ¹=2,4 B, U_ВЫХ⁰=0,4 B, для КМОП — U_ВЫХ¹=8 B. Для согласования по уровню входного и выходного сигналов существуют 3 способа:

1. Записать КМОП пониженным напряжением так, чтобы входной и выходной сигналы были близки к ТТЛ.

2. Использовать элементы ТТЛ с открытым коллектором.

3. Использовать преобразователи уровня.

КМОП в ТТЛ à 564 ПУ4

ТТЛ в КМОП à 564 ПУ7, ПУ8.

Незадействованные входы логических элементов либо соединяются параллельно с исследуемым входом, либо подключаются к источнику питания. ЛЭ на полевых транзисторах используются в высокоэкономичных цифровых устройствах с относительно невысоким быстродействием.