книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

Набора входных переменных, поданных на данную ступень. Поэтому функцию, эквивалентную наборам всех логичес­ ких переменных, можно получить, проинвертировав вы­ ходной сигнал предыдущей ступени. Действительно, если, например, на типовой ЛЭ последующей ступени подаются сигналы, соответствующие функции F, то инверсия этой функции и определяет наборы входных переменных, при которых происходит изменение выходного сигнала в этой последующей ступени, т. е. создаются условия для изме­ нения логических уровней на выходе последующего типо­ вого ЛЭ. Следовательно, именно при таких наборах вход­ ных переменных предыдущих ступеней следует восстанав­ ливать уровни выходного напряжения в последующей сту­ пени.

Теперь должно быть ясно, что, так как инвертор объеди­ няет все входные логические переменные предыдущих сту­ пеней, для восстановления выходных уровней напряжения достаточно подключить к выходу последующей ступени один дополнительный транзистор, второй вывод которого под­ ключается к шине питания для конъюнктивно-инверсных ММЛС и к общей шине для дизъюнктивно-инверсных ММЛС, а на затвор подается управляющий сигнал, эквивалентный набору всех входных логических переменных предыдущих ступеней.

Варианты конъюнктивно- и дизъюнктивно-инверсных

становления логических уровней. Рассмотрим в качестве примера конъюнктивно-инверсную схему (рис. 5.14, а). Пусть каждый ЛЭ выполняет некоторую функцию, номер которой соответствует номеру элемента, F (0), F (1), F (2), F (3). Предположим, например, что F (2) — 1, т. е. набор входных переменных, поданных на ЛЭ (2), открывает груп­ пу я-канальных транзисторов этого элемента. Как было от­ мечено, в конъюнктивно-инверсных схемах возможно ис­ кажение уровня логической 1. Пусть на выходе ЛЭ (1) ус­ танавливается логическая 1, тогда аналогичный уровень должен быть установлен и на выходе ЛЭ (2). Этот уровень устанавливается от источника питания через р-канальный транзистор VT2, на затвор которого с выхода И (1) подает­ ся нулевой уровень выходного напряжения. Очевидно, ана­ логично устанавливаются уровни логической 1 на всех вы­ ходах данного элемента. В дизъюнктивно-инверсном эле­

менте (рис. 5.14, б) транзисторы VT1, V T2 , V T 3 позволяют установить уровень логического 0. Таким образом, пред­ ложенные схемы [84] для восстановления уровней напря­ жения требуют дополнительно в каждой ступени только три транзистора. Причем число дополнительных транзис­ торов не зависит от сложности типового ЛЭ. Таким образом, в конъюнктивно- и дизъюнктивно-инверсных ММЛС число дополнительных транзисторов не зависит от числа входных логических переменных, а определяется лишь числом функ­ ций, выполняемых такими элементами. Действительно, чис-

Рис. 5.14. Третий способ восстановления логических уровней: а — ММЛС первого класса; б — ММЛС второго класса

ло дополнительных транзисторов в схемах с третьим спо­ собом восстановления выходных логических уровней

где N — число ступеней ММЛС, где первой ступенью счи­ тается элемент, подключенный к выходу образующего.

Для ММЛС с первым и вторым способами восстановле­ ния уровней логических 0 и 1 число дополнительных тран­ зисторов

<5 - 12а)

k = l /= 1

где т (i) — число входов i-ro типового ЛЭ в ММЛС. Счи­

Приравнивая (5.11) и (5.126), можно определить число входов типовых ЛЭ, начиная с которого третий способ ста­ новится эффективнее первого и второго по числу дополни­ тельных транзисторов:

Соотношение (5.13) можно использовать для определения числа ступеней N ММЛС или числа функций Ыф, выполня­ емых ММЛС, при котором третий способ восстановления логических уровней напряжения становится эффективным:

N = 6!т — 1, Ыф = 6/т,

Из рис. 5.15, где представлен график зависимости Мф = = / (/и), следует, что уже начиная с двух функций, вы­ полняемых ММЛС, предложенный вариант схемы становит­ ся эффективным, если типовые элементы имеют три и более входов Чем больше функций выполняет элемент, тем эф­

фективнее предложенный способ восстановления уровней. Включе­ ние инверторов на выходах каждой ступени позволяет осуществить по­ следовательное присоединение на­ боров входных сигналов к сигналу, управляющему транзистором вос­ становления уровня данной сту­ пени.

Совершенно очевидно, что воз­ можен и четвертый — смешанный способ восстановления логических

уровней, комбинирующий второй и третий. Действительно, если многовходовые типовые ЛЭ отдельных ступеней пере­ межаются с элементами, имеющими число входов т < 3, то на этих ступенях целесообразно использовать второй способ восстановления уровней, так как уменьшается не­ обходимое число дополнительных транзисторов.

Введение дополнительных инверторов позволяет развя­ зать выходы типовых ЛЭ и цепи нагрузки, что при боль­ ших нагрузочных емкостях повышает быстродействие схемы. Кроме того, наличие прямой и инверсной функции расширяет логические возможности ММЛС.

Уменьшение числа дополнительных транзисторов каж­ дой ступени снижает выходные емкости схемы и повышает ее быстродействие. Действительно, при третьем способе восстановления уровней к каждому выходу ММЛС оказы­

где Cj (k), С2 (/г) — выходные емкости k -й ступени конъюнктивно- и дизъюнктивно-инверсных схем; Свх — входная емкость инвертора, подключенного к. выходу ступени. Как следует из (5.14), в отличие от (5.10), емкости на выходах ММЛС не'зависят от номера ступени и остаются постоян­ ными для всех выходов. Таким образом, время установления уровня 1 в конъюнктивно-инверсных схемах, зависит от вре­ мени заряда емкости через группу /7-канальных транзисто­ ров типового ЛЭ данной ступени, а время установления уровня 0 в дизъюнктивно-инверсных схемах зависит от вре­ мени разряда емкости через группу n-канальных транзис­ торов типового ЛЭ. Эти времена близки к собственным вре­ менам установления соответствующих уровней типовых элементов, так как емкости на выходах ММЛС незначитель­ но, как видно из (5.14), отличаются от собственных емкостей. Действительно, в обоих случаях собственная емкость Ссоб = т (k) (Сп + Ср), поэтому

Быстродействие ММЛС теперь ограничивается временем разряда всех выходных емкостей через группы «-канальных транзисторов всех ступеней в конъюнктивно-инверсных

зисторов не более чем двух типовых ЛЭ. Например', уста* новка логической 1 на выходе в точке 3 осуществляется или через группы р-канальных транзисторов ЛЭ (1) и ЛЭ (2) или через транзистор V T1 и группу р-канальных транзис­ торов ЛЭ (2). Установка логического 0, например, на выхо­ де 4 происходит через группы я-канальных транзисторов ЛЭ (3) и ЛЭ (2) или через V T 2 и ЛЭ (3). Таким образом, если при синтезе ММЛС ограничить число последовательно соединенных я- и р-канальных транзисторов в типовых ЛЭ, то длина транзисторных ветвей заряда и разряда выходных емкостей ни при одной комбинации заданных входных сиг­ налов не превысит установленной. Следовательно, макси­ мальные времена установления логических уровней 0 и 1 могут быть сделаны равными, а быстродействие ММЛС уве­ личено.

Быстродействие ММЛС с чередующимися ступенями не ниже быстродействия многовходового ЛЭ, число входов ко­ торого равно сумме максимального числа входов двух типо­ вых элементов соседних ступеней.

Очевидно, что основное направление повышения быст­ родействия ММЛС — уменьшение числа транзисторов в по­ следовательных цепях заряда и разряда выходных емкостей. Этого можно добиться, если в качестве типовых ЛЭ исполь­ зовать инверторы. Тогда длина максимальной ветви заряда или разряда в конъюнктивноили дизъюнктивно-инверс­ ных схемах будет равна числу ступеней.

Быстродействие можно значительно повысить, используя в качестве предыдущей ступени элемент, инвертирующий выходной сигнал типового ЛЭ. В дизъюнктивно-инверсной схеме на рис. 5.17 число последовательно соединенных транзисторов в цепях заряда и разряда выходных емкостей уменьшено. Максимальное число последовательно соединен­ ных транзисторов

-Такие схемы позволяют заметно повысить быстродействие конъюнктивно- и дизъюнктивно-инверсных схем, в первую очередь за счет того, что уменьшается время переключе­ ния каждой ступени.

Дополнительный выигрыш в быстродействии достига­ ется в ММЛС с чередующимися подключениями типовых ЛЭ (рис. 5.18). В этом случае максимальное число последо­ вательно соединенных транзисторов также определяется по формуле (5.15), а, кроме того, в каждой из двух соседних

зисторов т (2 i + 1) -f 1, где т (2 i + 1) — число входов нечетного элемента И—НЕ.

Следует отметить, что в схемах на рнс. 5.17 и 5.18 ин­ верторы каждой ступени имеют большую собственную вы­ ходную емкость, чем в схемах на рис. 5.16, так как к их выходам подключены транзисторы типовых ЛЭ следующих ступеней.

Оценим емкости на выходе инверторов и типовых эле­ ментов в схеме на рис. 5.18. При ранее, установленных ус­

Отсюда следует, что значение емкостей С (20 совпадает с емкостью С 2 (к) (5.146), а С (2 i + .1) — с емкостью Сг (/г) (5.14а). Собственные нагрузочные емкости инверторов замет­ но возрастают. Однако, как видно из приведенных соотно­ шений, эти значения меньше значений С (2 Ï), С (2i -f- 1). Поэтому эти емкости успевают разрядиться, (зарядиться) через инверторы прежде, чем заряжаются (разряжаются) емкости на выходе типового ЛЭ, что и способствует общему повышению быстродействия .ММЛС.

5.8. Анализ и синтез схемотехнических и расширенных логических формул для многовыходовых многофункциональных логических схем

Результаты, полученные в предыдущих параграфах, основаны на эвристических приемах. Для создания про­ цедуры синтеза ММЛС необходимо определить способы пре­ образования логической функции в расширенную логичес­ кую и схемотехническую формулы, обеспечивающие созда­ ние ММЛС формальными методами. Чтобы решить эту за­ дачу, найдем СФ и РЛФ ММЛС, рассмотренных ранее. Общ­ ность анализа не уменьшится, если будут проанализированы схемы первого и второго классов. Все полученные ниже ре­ зультаты применимы и к схемам остальных классов, если соблюдаются условия (5.3).

Проанализируем работу схем на рис. 5.5 и 5.6, найдем схемотехнические- и расширенные логические формулы для каждой ступени. Как и прежде, будем считать, что каждый