книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

Подводя итоги данного параграфа, отметим, что все классы ММЛС позволяют реализовать широкий спектр логи­ ческих функций. Основным схемотехническим ограничением является использование типовых, а не произвольных ЛЭ.

5.5. Схемотехнические особенности функционирования многовыходовых многофункциональных логических схем

Цель настоящего параграфа— выявить недостатки рас­ смотренных классов ММЛС' со схемотехнической точки, зре­ ния и определить пути их устранения. Общность анализа схемотехнических особенностей не уменьшится, если в ка­ честве .типового ЛЭ рассматривать инвертор на МДП-тран- зисторах и ММЛС первого и второго классов. Примеры трех­ ступенчатых схем первого и второго классов показаны на

Рис. 5.9. Трехступенчатые ММЛС:

a — схема первого класса; б — схема второго класса

емкостей, подключенных к каждому выходу. По сравнению с типовой схемой И—НЕ собственные узловые емкости в точках 1 , 2 , 3 больше, так как в каждом из этих узлов под­ ключены диффузионные емкости дополнительных транзис­ торов. Наиболее неблагоприятный режим работы схемы — когда из исходного состояния седьмого набора происходит переключение в состояние, соответствующее третьему на­ бору. В этом случае функции F (1), F (2), F (3) равны еди­ нице, а уровень 1 устанавливается при заряде емкостей С/, С2, СЗ через транзисторы V T 2, V T 3, V T 5 . Передача уров­ ня логической 1 через «-канальные транзисторы сопровож­ дается уменьшением напряжения на величину порогового напряжения «-канального транзистора иоп. Уровень логи­ ческой 1 уменьшится в точке 3, если В = 0, а С — 1.

Для схемы на рис. 5.9, б аналогичный эффект наблюда­ ется при установлении уровня логического 0 при переклю­ чении из состояния, соответствующего нулевому, набору, в состояние, соответствующее четвертому набору. В этом случае напряжения в точках 2 и 3 будут равны пороговому напряжению р-канальных транзисторов мор. Действитель­ но, когда емкости СЗ и С2 разряжаются через V T6 , VT4, VT1, напряжение в точках 2 и 3 не может стать меньше и ор, так как транзисторы V T6 и V T 4 остаются открытыми лишь тогда, когда напряжение на их истоках будет превышать иор. Уровень логической 1 устанавливается при заряде емкостей C l , С2 , СЗ через V T2 , VT4, V T6 от источника пи­ тания.

Анализ функционирования ММЛС показывает, что они имеют следующие недостатки:

изменяются уровни логических 0 и 1 при определенных комбинациях входных сигналов;

задержки ММЛС зависят от номера выхода; нагрузочные емкости на каждом из выходов влияют на

быстродействие ММЛС по всем остальным выходам. Несомненным достоинством ММЛС является уменьшение

числа транзисторов, необходимых для реализации всех ло­ гических функций, и значительное расширение функцио­ нальных возможностей.

5.6.Способы восстановления выходных уровней нуля

иединицы

Будем называть восстановлением (стабилизацией) вы­ ходных уровней 0 и 1 неискаженную передачу этих уровней на все выходы ММЛС на всех наборах входных логических переменных.

m

Рис. 5.10. Первый способ восстановления логических уровней: а — ММЛС первого класса; б — ММЛС второго класса

Способы восстановления выходных уровней сводятся к созданию дополнительных ветвей полной передачи логичес­ ких 0 и 1. Известно, что открытый я-канальный транзистор без искажения передает уровень логического 0, а открытый р-канальный транзистор — уровень логической 1. Поэто­ му очевидный способ — шунтирование я-канальных тран­ зисторов V T 3, V T 5 в схеме на рис. 5.9, а р-канальными, а транзисторов VT4, V T6 в схеме на рис. 5.9, 6 я-канальными транзисторами. Эти дополнительные транзисторы должны открываться в тех случаях, когда возникают самые небла­ гоприятные сочетания входных сигналов.

Многофункциональные многовыходовые логические схемы первого и второго классов, использующие первый способ восстановления уровня [80], показаны на рис. 5.10. Как следует из рис. 5.10, а, параллельно транзисторам V T3 ,

новлению уровня логического 0 на.выходах 2 и 3 при А = = 1, В = С = 0.

Очевидно, что каждая последующая ступень для стаби­ лизации выходных уровней потребует дополнительных тран­ зисторов, число которых равно числу предшествующих сту­ пеней. Таким образом, дополнительное число транзисторов для ^/-выходного многофункционального ЛЭ, каждая сту­ пень которого представляет собой инвертор:

Я„оп = (Я — 1)Я/2.

Нетрудно установить, что каждый дополнительный тран­ зистор соответствует одной из входных логических пере­ менных и обеспечивает передачу логических уровней на на­ борах, когда эта переменная истинна (дизъюнктивно-ин­ версные схемы) или ложна (конъюнктивно-инверсные схе­ мы). Поэтому, если в качестве типовых ЛЭ каждой ступени используются многовходовые элементы, то в каждую после­ дующую ступень следует дополнительно для восстановле­ ния уровней вводить столько транзисторов, сколько вход­ ных логических переменных используется на всех предыду­ щих ступенях ММЛС.

В случае многовыходовых типовых ЛЭ на каждой сту­ пени число дополнительных транзисторов, необходимых для неискаженной передачи логических уровней:

(k + 1)-й ступени ММЛС; т (г) — число логических входов типового ЛЭ на г-й ступени.

Как и прежде, считаем, что общее число ступеней в схе­ ме, а следовательно, и выходов ММЛС равно N . Тогда об.

щее число транзисторов, реализующих ММЛС с N выход­ ными функциями:

где m (0) — число входов образующего типового ЛЭ. Если число входов типовых ЛЭ одинаково, т. е. т (0) =

Элементом первой ступени является элемент, подключенный к выходу образующего, которому присвоен нулевой номер.

Можно сделать вывод о том, что при одинаковом числе входов т типовых ЛЭ число дополнительных транзисторов растет в арифметической'прогрессии.

Рассмотренный способ восстановления выходных уров­ ней имеет следующие недостатки:

возрастает число дополнительных транзисторов, необ­ ходимых для неискаженной передачи уровней логических 0 и 1;

увеличивается площадь, занимаемая ММЛС на кристал­ ле, как за счет роста числа транзисторов, так и за счет того, что размеры дополнительных транзисторов превышают ми­ нимально возможные;

уменьшается быстродействие по каждому из выходов за счет увеличения емкостей на выходах ММЛС, что обсуловлено добавлением в каждый узел емкостей легированных областей дополнительных транзисторов.

Таким образом, функциональные возможности [801 ММЛС расширяются за счет ухудшения электрических ха­ рактеристик элементов при интегральном исполнений.'

Рассмотрим пути устранения перечисленных недостат­ ков. Одним из основных недостатков является снижение быстродействия за счет более чем двойного увеличения уз­ ловых емкостей на выходах ММЛС при введении дополни­

вносит дополнительную емкость как в С 1, так и в С2, так как его стоковая и истоковая области подключены к точкам 1 и 2. Аналогично транзисторы V T8 и V T 9 вносят допол­ нительные емкости как в С2, так и в СЗ. Если считать, что все транзисторы имеют одинаковые размеры и что емкости легированных областей стока и истока соответственно р- и /z-канальных транзисторов равны Ср и С„, то можно опреде­ лить эквивалентные емкости на каждом из выходов ММЛС.

Для выхода /е-й ступени ММЛС на рис. 5.10, а

С (к) = С р + 3Сп + 2 (/г — 1)СП= С р + (2/г + 1)СП.

(5.8а)

Для схемы на рис. 5.10, б

С (к) = Сп + 3Ср + 2 ( к - 1)СР = Сп + (2& + 1)СР.

(5.86)

Достаточно легко получить формулы для оценки выход­ ных емкостей в том случае, когда типовые элементы в ММЛС имеют одинаковую структуру и равное число входов. Эта задача усложняется, если используются разные типо-

•вые элементы. ММЛС с инверторами в каждой ступени или одинаковыми ЛЭ служат тестовыми схемами, позволяющи­ ми сравнивать модификации ММЛС между собой.

Значительно повысить быстродействие ММЛС, обеспе­ чивая одновременно восстановление уровней логических 0

и1, можно вторым спосрбом с помощью схем [82, 83], по­ казанных на рис. 5.11. Ё этих схемах восстановление вы-

АП

Рис. 5.11. Второй способ восстановления логических уровней: а — ММЛС первого класса; б — ММЛС второго класса

ходных уровней напряжения осуществляется также с помощью дополнительных транзисторов. Если в схемах на рис. 5.10 дополнительные транзисторы использовались для передачи сигналов с выхода предыдущей ступени на выход последующей, то в схемах на рис. 5.11 они выполняют но­ вую функцию — принудительно при определенных набо­ рах входных сигналов устанавливают нужные уровни на­ пряжения на выходах элемента, связывая точки 2 , 3 с ис­ точником питания. Таким образом, второй способ восстанов­ ления логических уровней выходного напряжения позволя­ ет существенно повысить быстродействие ММЛС; во-первых, за счет уменьшения выходных емкостей на каждом выхо­ де, а, во-вторых, за счет непосредственного заряда (разря­ да) выходных емкостей от источника питания (до нулевого потенциала).

Нетрудно показать, что при тех же предположениях, ко­ торые были сделаны выше, узловые выходные емкости в схемах на рис. 5.11, соответственно равны

а с учетом m-входовых типовых элементов И—НЕ, ИЛИ— НЕ

Сравним, например, цепи заряда емкостей С1 и С2 в схемах на рис. 5.10, а и рис. 5.11, а при А = 0, В = 1, считая, что предварительно они были разряжены. В обеих схемах емкости С1 заряжаются через транзисторы V T 2 от источника питания. Различие во временах заряда обусловлено разли­ чием емкостей в схемах, что следует из формул (5.8а) и (5.9а) Если предположить, что С р = С„, то видно, что задержка на выходе образующего элемента в схеме на рис. 5.11, а на 25% меньше, чем в схеме на рис. 5.10, а. Емкость С2 в схеме на рис. 5.10, а заряжается от источника питания через транзисторы V T 2 и V T 3, V T 7 (последняя пара образует двунаправленный ключ). В схеме на рис. 5.11, а емкость С2 заряжается только через транзисторы VT7. При принятых допущениях о равенстве размеров транзисторов время заря­ да емкости С2 в схеме на рис. 5.10, а только за счет увели­ чения сопротиления цепи’заряда возрастает на 50 %, а кро­

вие увеличивается почти в два раза. Совершенно очевидно, что выигрыш в быстродействии возрастает с увеличением числа выходов в ММЛС. Таким образом, ММЛС, предло­ женные в [82, 83], имеют лучшие электрические характерис­ тики.

Как следует из соотношений (5.8) и (5.9), узловые выход­ ные емкости линейно увеличиваются с ростом числа ступе­ ней /г, однако их отношение у с стремится к постоянному значению

ступеней ММЛС усложняет схемотехнические решения, обес­ печивающие восстановление уровней выходного напряже­ ния.

Для схем на комплементарных транзисторах можно сфор­ мулировать следующее правило для получения схемотех­ нической реализации ММЛС с неискаженными логически­ ми уровнями. ММЛС, в которой каждая ступень образуется подключением типового ЛЭ, обеспечивает неискаженные выходные уровни логических 0 и 1 на каждом выходе, если для схем первого класса между выходом и шиной питания каждой ступени, следующей после образующего элемента, подключить группы р-канальных транзисторов, аналогич­ ные группам р-канальных транзисторов типовых ЛЭ, об­ разующих все предшествующие ступени, а для схем второго класса между выходом и общей шиной подключить группы «-канальных транзисторов, аналогичные группам «-ка­ нальных транзисторов типовых ЛЭ, образующих все пред­ шествующие ступени.

Как следует-из правила, добиваясь неискаженных вы­ ходных уровней напряжения, приходится усложнять схемо­ техническое решение. Пример схемы, построенной на осно­ ве сформулированного правила, приведен на рис 5.12. Поэ­ тому важная задача дальнейшего совершенствования схе­ мотехнических решений — упрощение схем.

Нетрудно заметить, что дополнительные транзисторы, восстанавливающие уровни на выходах ММЛС, управля­ ются сигналами, соответствующими наборам входных ло­ гических переменных всех предшествующих ступеней. Сле­ довательно, если объединить логические сигналы всех пред­ шествующих ступеней, то тогда достаточно включить один