Логические элементы КМОП (CMOS) - типа

Комплементарные элементы типа КМОП (CMOS) строятся по технологии «металл-окись-полупроводник». Схема элемента КМОП типа И-НЕ показана на рисунке 4.1. Обычно элементы строятся только на МОП - транзисторах с разным, взаимодополняющим (комплементарным) типом проводимости – на транзисторах с индуцированными n-каналами (Т3, Т4) и p-каналами (Т1, Т2).

Рассмотрим принцип действия КМОП - элемента. Пусть, например, в исходном состоянии на обоих входах присутствует лог. «0». В этом случае верхние транзисторы Т1 и Т2 будут открыты, а нижние транзисторы Т3, Т4 будут закрыты. На выходе будет установлена лог. «1», но ток в микросхеме протекать не будет из-за закрытых транзисторов Т3, Т4.

Если теперь на входе Х1 элемента (рисунок 4.1) изменить состояние с лог. «1» на лог. «0», а на входе Х2 – оставить лог. «1», то транзисторы Т1, Т4 откроются, а транзисторы Т2, Т3 - закроются. Смена входных сигналов приводит лишь к смене состояний Т1, Т4 и Т2, Т3, но состояние лог. «1» на выходе не меняется и ток после переключения также не течет. Аналогичная ситуация будет с элементом при лог. «1» на входе Х1 и лог. «0» на входе Х2 (только транзисторы Т1, Т4 закроются, а Т1, Т4 откроются).

Рисунок 4.1 - Электрическая схема КМОП-типа 2И-НЕ на транзисторах с индуцированными каналами n (T3, T4)- и p (T1, T2)-типа

Однако одновременная подача на оба входа лог. «1» приводит к открытому состоянию Т3, Т4 и к закрытому состоянию Т1, Т2, при этом на выходе устанавливается лог. «0», но и в этом состоянии ток в схеме также не проходит.

Следовательно, в КМОП-элементе энергия потребляется только лишь во время переключений, т.е. в моменты смены состояний элемента из лог. «1» в лог. «0» и наоборот. Потребляемая элементом энергия зависит от частоты переключений и расходуется в основном на перезаряд емкостей нагрузки, паразитных емкостей монтажа и выводов элемента, а также межэлектродных внутренних емкостей транзисторов.

Таким образом, КМОП- элементы обладают самыми лучшими показателями по потребляемой мощности из всех типов логических элементов. Кроме того, КМОП- элементы имеют высокую помехозащищенность и являются высокотехнологичными, так как не содержат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды и т.п. Высокая плотность размещения элементов на единицу площади кристалла также свойственна этим элементам.

К недостаткам КМОП - элементов можно отнести:

ü сравнительно низкое быстродействие относительно TTL-элементов;

ü низкая устойчивость к статическому электричеству, поэтому внутри элементов предусматриваются защитные диоды, изготавливаемые в едином технологическом цикле;

ü паразитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают в кристалле как побочные переходы в КМОП структурах, размещаемых на одном кремниевом кристалле. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно оказываются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный эффект, искажающий передаточную характеристику элемента.

Дата добавления: 2014-01-06