Логические элементы на полевых МДП транзисторах

Полевые транзисторы МДП с индуцированным каналом считаются лучшей элементной базой при создании больших интегральных микросхем. Рассмотрим работу инвертора на комплементарных (взаимодополняющих) МДП-транзисторах (рисунок 5.12а).

Исток и подложка транзистора VT1 подключены к общей шине (нулевой потенциал), а транзистора VT2 – к "+" источника питания. При подаче на вход "0" напряжение затвор-исток VT1 равно: U_зи1 = U_вх - 0» 0В и VT1 закрыт. Напряжение затвор-исток VT2, равное U_зи2 = U_вх - U_n» - U_n. Транзистор VT2 открыт и находится в состоянии насыщения, и через него, как через замкнутый ключ, потенциал источника питания (+U_n) передается на выход, реализуя тем самым на выходе "1". При этом общий для обоих транзисторов ток стока близок к нулю.

а б в

а – инвертор; б – "2ИЛИ-НЕ"; в – "2И-НЕ"

Рисунок 5.12 – Логические элементы на полевых КМДП транзисторах

Если же на вход подана "1" (U_вх »+U_n), то U_зи1=Uвх-0»+U_n-0»+U_n и транзистор VT1 окажется открытым, VT2 – закрытым, так как
U_зи2 = Uвх – Un» +U_n - U_n » 0. Через открытый VT1 на выход будет подан нулевой потенциал корпуса, реализуя на выходе "0". При этом общий ток стока остается близким к нулю. Таким образом, в любом статическом состоянии схема не потребляет мощности от источника питания. Преимуществом данной схемы является то, что работоспособность инвертора не зависит от U_n при условии, что оно не меньше удвоенного значения порогового напряжения (U_n>=2U_{зи пор}), поэтому схема может работать при больших разбросах напряжения питания. Высокая помехозащищенность
(U_помех<=U_зи.пор); высокий коэффициент использования напряжения источника питания (U_вых/U_n » 1) обеспечили широкое применение такого ключа в интегральной схемотехнике. Недостатком этой схемы является относительно сложная технология изготовления в одном кристалле транзисторов с каналами противоположного типа, а также высокое напряжение питания (U_n » 9B).

На рисунке 5.12б и 5.12в приведены схемы элементов "2ИЛИ-НЕ" и "2И-НЕ" на КМДП-транзисторах. Пары транзисторов VT1, VT3 и VT2, VT4 образуют комплементарные структуры. Пусть в схеме рисунок 5.12б на оба входа поданы "0",тогда транзисторы VT1 и VT4 закрыты, так как
U_зи1 = U_зи4 » 0. Транзисторы VT3 и VT2 открыты, потому что нулевой потенциал, подведенный к затворам, относительно их подложек, соединенных с плюсом источника питания, создает отрицательную разность потенциалов, необходимую для индуцирования канала Р-типа. VT3 и VT2 насыщены, поэтому выходное напряжение примерно равно +U_n, что соответствует "1" на выходе. Если хотя бы на один из входов, например, Х1 подать "1", то VT2 закроется, отключая +U_n от выхода, а VT4 откроется, подключая выход к общей шине, т. е. на выходе будет "0".

Аналогично работает и схема "2И-НЕ" (рисунок 5.12в). Когда на обоих входах "1", VT3 и VT4 открыты, VT1 и VT2 закрыты и выход схемы через последовательно соединенные VT3 и VT4 подключен к общей шине, т. е. на выходе "0". При всех других комбинациях входных сигналов закрыты или VT3, или VT4, или оба одновременно, а VT1 и VT2 соответственно открыты и на выходе схемы будет "1".

Отечественной промышленностью освоен выпуск серий микросхем на КМДП транзисторах – это ИМС серий К176, К516, К587, К588 и т. д.