книги / Схемотехника
..pdf
Рис. 2.10. Схема моделирования: на входе инвертора 0, на выходе наблюдаем 1
Рис. 2.11. Схема моделирования: на входе инвертора 1, на выходе наблюдаем 0
2.2. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ 2И-НЕ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Для реализации логической функции 2И-НЕ необходимо соединить параллельно два КМДП транзистора p-проводимости и последовательно два транзистора n-проводимости (рис. 2.12).
51
Рис. 2.12. КМДП-схема элемента 2И-НЕ и её топология
Таким образом, как показано на ещё более упрощённой схеме, реализуется логическая функция 2И-НЕ (рис. 2.13).
То есть ток от + течёт на выход в случае, если один из входов, либо оба входа вместе равны 0. Если оба входа равны 1, ток течёт в обратную сторону к шине «Ноль вольт».
Рис. 2.13. Упрощённая КМДП-схема работы элемента 2И-НЕ
52
Выполним моделирование работы элемента 2И-НЕ в системе схемотехнического моделирования Electronics Workbench фир-
мы National Instruments (рис. 2.14–2.17).
Рис. 2.14. Схема моделирования: на входе 2И-НЕ установлено 11, на выходе наблюдаем 0
Рис. 2.15. Схема моделирования: на входе 2И-НЕ установлено 01, на выходе наблюдаем 1
Таким образом, действительно, на выходе Out реализуется логическая функция
Out = |
x1x2 |
. |
(2.1) |
53
Рис. 2.16. Схема моделирования: на входе 2И-НЕ установлено 00, на выходе наблюдаем 1
Заметим, что транзисторы n-проводимости реализуют инверсную (2.1) функцию (2.2):
Out = x1x2 . |
(2.2) |
Говорят, что функция (2.1) ортогональна функции (2.2), в этом и смысл комплементарности– в КМПД-схемах транзисторы работают в паре, когда один открыт, другой закрыт и наоборот. Точно так же, если (2.1) равна единице, то (2.2) равна нулю и наоборот. Нарушение этого свойства, свойства ортогональности– событие, называемоеотказом, оноприводитксостояниюнеисправности.
Если обе функции (2.1) и (2.2) равны 1, это фактически короткое замыкание источника питания.
Если обе функции (2.1) и (2.2) равны 0, на выходе наблюдается так называемое третье состояние (ни ноль, ни единица) – высокоимпедансное.
2.3. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ 2ИЛИ-НЕНА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Логическийэлемент2ИЛИ-НЕреализуетлогическуюфункцию:
Out = |
x1 x2 |
. |
(2.3) |
54
Заметим, что транзисторы n-проводимости в 2ИЛИ-НЕ реализуют инверсную функцию:
Out = x1 x2 . |
(2.4) |
Следовательно, верхние транзисторы соединяют последовательно, а нижние – параллельно (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Логический элемент 2ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах
Моделирование КМДП-схемы элемента 2ИЛИ-НЕ представ-
лено на рис. 2.18–2.20.
Рис. 2.18. Схема моделирования 2ИЛИ-НЕ: на входе установлено 00, на выходе наблюдаем 1
55
Рис. 2.19. Схема моделирования 2ИЛИ-НЕ: на входе установлено 10, на выходе наблюдаем 0
Рис. 2.20. Схема моделирования 2ИЛИ-НЕ: на входе установлено 01, на выходе наблюдаем 0
56
2.4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ 2ИЛИ-2И-НЕ, 2И-2ИЛИ-НЕ, 4И-НЕНА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Пользуясь описанным принципом, получим более сложные элементы. Логический элемент 2ИЛИ-2И-НЕ (рис. 2.21) реализует логическую функцию
F(x) = |
x |
1 |
x |
2 |
x |
3 |
x |
4 = |
(x1 x2 )(x3 x4 ) |
. |
(2.5) |
Рис. 2.21. Логический элемент 2ИЛИ-2И-НЕ
Транзисторы n-проводимости в 2ИЛИ-2И-НЕ реализуют инверсную функцию:
F(x) = (x1 x2 )(x3 x4 ). |
(2.6) |
Логический элемент 2И-2ИЛИ-НЕ (рис. 2.22) реализует логическую функцию:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F(x) = (x |
1 x2 )(x3 x4 ) = (x1x2 ) (x3x4 ). |
(2.7) |
|||||||||
Транзисторы n-проводимости в 2И-2ИЛИ-НЕ реализуют инверсную функцию:
F(x) = x1x2 x3x4 . |
(2.8) |
Известны технологические ограничения Мида и Конвей на число последовательно соединённых КМОП-транзисторов при
57
проектировании больших интегральных микросхем (БИС) [3], что связано с некоторым падением напряжения при протекании тока на каждом транзисторе. Согласно [3] не допускается более четырех транзисторов в последовательной цепочке. Поэтому максимум можно создать схему, например, 4И-НЕ (рис. 2.23).
Рис. 2.22. Логический |
Рис. 2.23. КМОП-реализацияэлемента |
элемент 2И-2ИЛИ-НЕ |
4И-НЕсчетырьмятранзисторами |
|
вцепиподключенияшины «Нольвольт» |
На рис. 2.23 четыре последовательных транзистора n-про- водимости. В схеме 4ИЛИ-НЕ будет четыре последовательных транзистора р-проводимости.
58
3. СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ В БАЗИСЕ ИМС МАЛОЙ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ
Выше рассмотрены логические элементы в базисе КМОПтранзисторов. Синтез из транзисторных пар осуществляют при создании так называемых библиотек элементов для БМК – базовых матричных кристаллов, например, в техцентре МИЭТ – Московского института электронной техники (г. Зеленоград Московской области). Как правило, пользователям доступен синтез из уже готовых логических элементов либо они заказывают БИС с требуемыми элементами в том же техцентре. Более дешёвый вариант – использование стандартных ИМС. Рассмотрим простой пример синтеза схемы на основе ИМС 4011 (рис. 3.1).
Рис. 3.1. МикросхемаИМС4011, имеющаячетыреэлемента2И-НЕ
59
На корпусе имеется так называемый ключ – углубление, слева от которого вывод № 1. Далее выводы нумеруются по порядку и переходят на вторую сторону ИМС. Вывод № 7 подключается к шине «Ноль вольт» источника питания, вывод № 14 – к шине + Vcc. Это DIP (Dual In-line Package, также
DIL) – тип корпуса микросхем. Микросхема может устанавливаться в панель на плате или «жёстко» припаиваться к плате. Назначение выводов указывается в паспорте на ИМС или в справочниках.
Пусть необходимо реализовать логическую функцию
F = ab |
|
|
|
|
|
|
||||
ac, |
(3.1) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F = ab |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ac = abac. |
(3.2) |
|||||||||
Выбираем ИМС 4011 (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Выбор ИМС 4011
Вот эта схема (рис. 3.3).
Можно воспользоваться справочником с помощью опции
Help (рис. 3.4).
60