Элементы структуры КМОП

В логическом элементе (рисунок 1), выполняющем функцию И-НЕ, работают комплементарные полевые транзисторы. Транзисторы с каналом р-типа (VT1, VT2) подключены к положительному проводнику источника питания, а с каналом N-типа (ѴТЗ, ѴТ4) соединены последовательно.

Передаточная характеристика элемента приведена на рис. 2. При входном напряжении 2 В и менее транзисторы VT1 и ѴТ2 открыты, так как напряжение на участках затвор — исток (при напряжении питания 9 В) составляет не менее 7 В.

Схема базового КМОП 2И-НЕ , элемента

Рис. 1. Схема базового КМОП 2И-НЕ , элемента.

Передаточная характеристика элемента КМОП 2И-НЕ

Рис. 2. Передаточная характеристика элемента КМОП 2И-НЕ.

Напряжение на таких же участках транзисторов ѴТЗ и ѴТ4 оказывается недостаточным для их открывания, поэтому на выходе элемента будет напряжение, почти равное напряжению питания, т. е. около 9 В. По мере увеличения входного напряжения транзисторы ѴТЗ, ѴТ4 начинают открываться, a VT1, ѴТ2 закрываться.

На участке а—б этот процесс происходит сравнительно плавно, на участке б—в он ускоряется, в результате чего крутизна передаточной характеристики резко возрастает и по коэффициенту усиления соответствует 20 ... 26 дБ. В точке в транзисторы VT1 и ѴТ2 почти полностью закрыты, a ѴТЗ и ѴТ4 открыты. Выходное напряжение в этом случае невелико и при увеличении входного напряжения до напряжения источника питания оно стремится к нулю.

КМОП-элементы относятся к наиболее простым, экономичным, они хорошо работают при различных напряжениях питания и имеют самый протяжный участок передаточной характеристики по выходу (3...5В). Они обладают большим входным сопротивлением (единицы мегаом) в широком диапазоне частот и высокой линейностью передаточной характеристики.

Середина линейного участка характеристики не соответствует половине значения напряжения питания, потому что для открывания р-канальных транзисторов (VT1, ѴТ2) требуется большее напряжение, чем для открывания «-канальных (ѴТЗ, ѴТ4). К недостаткам таких элементов следует отнести сравнительно большое выходное напряжение сопротивления (единицы килоом),

Использование логических элементов цифровых микросхем в различных устройствах для работы с аналоговыми сигналами возможно лишь в случае, если их рабочая точка находится на линейном участке передаточной характеристики или вблизи нее. Именно там они способны реагировать на малые изменения входного сигнала и даже усиливать его.

Так, на линейном участке передаточной характеристики элемент ТТЛ эквивалентен усилителю с коэффициентом усиления 10...12 (примерно 20 дБ), элемент ЭСЛ—усилителю с коэффициентом усиления 3...4 (примерно 10 дБ), элемент КМОП — усилителю с коэффициентом усиления 10 ... 20 (20 ... 26 дБ).

Для вывода логического элемента на требуемую рабочую точку (линейный или другой участок и характеристики) применяют разные способы. Один из них [3] основан на включении "на входе элемента ТТЛ резистора".

Литература: И. А. Нечаев, МРБ Выпуск 1172, 1992 год.

2 1777 Все о микросхемах
начинающим справочник КМОП логика
cashback