Схемотехника логических элементов на полевых транзисторах
Из многочисленных серий цифровых ИС на полевых транзисторах наибольшее распространение получили микросхемы на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором. Полевые транзисторы с диэлектриком на основе окислов кремния принято называть МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник). При использовании иных или слоистых диэлектриков транзисторы называют МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник). Более общим названием является последнее, поэтому ИС на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором называют КМДП ИС. Слово комплементарный означает взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, имеющих примерно одинаковые значения основных параметров, но с противоположными полупроводниковыми структурами.
Рассмотрим элементарную комплементарную структуру - инвертор, содержащий два МДП-транзистора с индуцированными каналами n- и p-типа. Структура и электрическая схема КМДП-инвертора приведены на рисунке 42.
Рисунок 42 - Комплементарный МДП-инвертор:а - структура; б - электрическая схема
В этой структуре для изоляции n-канального транзистора используется «карман» р-типа, играющий роль подложки для указанного транзистора.
Необходимое при этом обратное смещение p- и n-перехода между подложками n- и p-типов транзисторов обеспечивается при подаче на исток p-канального транзистора и на n-подложку положительного напряжения питания Uип, при этом p-подложка соединена с общей шиной и истоком n-канального транзистора.
Допустим, в исходном состоянии напряжение на затворах равно нулю. При этом n-канальный МДП-транзистор находится в режиме отсечки, т. е. закрыт, а p-канальный транзистор открыт и работает в линейной области с большим отрицательным напряжением на затворе (относительно его истока) и практически без тока стока. Поэтому падение напряжения между истоком и стоком p-канального транзистора минимально, а напряжение на выходе КМДП-инвертора практически равно Uип.
При напряжении на затворах, близком к величине Uип, p-канальный транзистор закрыт, а n-канальный работает в линейной области без тока стока, поэтому на выходе КМДП-инвертора напряжение равно нулю.
Основным преимуществом КМДП-инвертора является малая статическая мощность, потребляемая от источника питания (порядка нановатт). Кроме этого, КМДП-инвертор имеет высокую помехоустойчивость, широкий диапазон рабочих напряжений (обычно от 3 до 15 В) и широкий диапазон рабочих температур (от -55 до +125°С). Эти качества КМДП-инвертора обеспечили популярность и высокие эксплуатационные показатели ИС на его основе.
В качестве других эксплуатационных характеристик КМДП ИС, следует назвать: высокую помехозащищенность, достигающую 30...45 % от значения питающего напряжения, высокую нагрузочную способность, составляющую до 1000 входов таких же ИС на частотах до нескольких килогерц, высокое входное сопротивление (~1012 Ом), упрощенное сопряжение со слаботочными источниками входного напряжения.
Кроме того, имеются и существенные преимущества в технологии КМДП ИС по сравнению с биполярными ИС, к наиболее важным из которых относятся: меньшее (почти в 3 раза) число технологических операций; самоизоляция от других элементов, расположенных на одной подложке, более высокая степень интеграции (30 %) на кристалле. Исключительно малая потребляемая мощность открывает для КМДП ИС широкую перспективу применения, в первую очередь в устройствах с автономным питанием, автономных устройствах сбора и обработки данных, запоминающих устройствах, т. е. там, где энергетический фактор оказывается решающим.
Цифровые ИМС характеризуются следующими параметрами:
- функциональные возможности (число входов элемента и число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу);
- быстродействие (время реакции логического элемента на изменение сигнала на входах);
- потребляемая мощность;
- помехоустойчивость (мера невосприимчивости логического элемента к изменению состояния под воздействием помех).
Функциональные возможности цифровых устройств расширяются при переходе от низкого уровня интеграции ИМС к более высокому – от простых логических элементов к логическим узлам - триггерам, регистрам и т.д. до микропроцессоров.
Дата добавления: 2021-01-11; просмотров: 386;