Тема 1. Изучение элементов систем безопасности

 

Цель: исследование структур и устройств, реализуемых в схемотехнике КМОП. Изучение основ построения логических элементов различных типов, сравнение их преимуществ и недостатков.

Теоретические сведения

Логические элементы РТЛ– типа относительно простотыв реализации на технологическом уровне.Они позволяют выполнять интегральные схемы (ИС) малой степени интеграции. На рис. 1.1 показана электрическая схема и таблица истинностиРТЛ-элемента, выполняющего логическую функцию 3ИЛИ-НЕ.

 

 

Значения входных сигналов	Значение выхода
			у

 

 

а)

б)

 

Рис. 1.1 – Электрическая схема (а)и таблица истинности (б) РТЛ – элемента 3ИЛИ-НЕ

 

В схеме используется биполярный транзистор n-p-n типа, который работает в ключевом режиме. В исходном состоянии, когда входной сигнал на всех контактах Х1, Х2, Х3 равен логическому нулю (лог.«0»), потенциал базы близок к нулевому значению и отсутствуют базовый и коллекторный токи транзистора Т1. Следовательно, транзистор Т1 находится в закрытом состоянии (транзисторный ключ разомкнут). На выходе элемента «Y» в этом случае устанавливается высокий потенциал, близкий к потенциалу источника питания «+Е», что соответствует лог. «1» на выходе.

Если на любой из входов элемента подать лог. «1», то базовый ток транзистора увеличится, потечет коллекторный ток и транзистор откроется, потенциал коллектора будет близок к нулевому значению (транзисторный ключ замкнут). На выходе «Y» логического элемента появится низкий потенциал -лог. «0».

Таким образом, лог. «1» на любом из трех входов инвертируется элементом в лог. «0» на выходе, что соответствует логической операции 3ИЛИ-НЕТ.

Недостатки РТЛ-элементов:

- низкая технологичность из-за необходимости применения высокостабильных резисторов;

- высокая потребляемая мощность;

- малые коэффициенты разветвления и объединения;

- низкая нагрузочная способность;

относительно низкое быстродействие из-за насыщенного режима работы транзистора, высоких постоянных времени входных цепей и высокого выходного сопротивления.

Логические элементы КМОП (CMOS) – типа. Комплементарные элементы типа КМОП (CMOS) строятся по технологии «металл-окись-полупроводник». Схема элемента КМОП типа И-НЕ показана на рис.1.1. 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 (рис.1.1) 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).

Значения входных сигналов	Значение выхода
		у

а) б)

Рис.1.2 –Электрическая схема (а) и таблица истинности (б) логического элемента 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.

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:

- сравнительно низкое быстродействие относительно ТТЛ-элементов;

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

- 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.

 

Задание для самостоятельной работы

1) Составить таблицу истинности для элемента 3ИЛИ-НЕ на КМОП-транзисторах.

2) Составить функциональную схему логического элемента по заданному варианту таблицы истинности.

A

B

C

D

Варианты заданий

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X