CMOS логические элементы: проектирование, работа и сравнение с TTL

До этого момента анализ транзисторных логических схем ограничивался парадигмой TTL: биполярные транзисторы, стратегия висячих входов = «высокий» (подключение к Vcc), допуск open-collector выходов. Это не единственный способ строить логические элементы.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы, особенно с изолированным затвором (IGFET), применимы в логике. Будучи напряжением-управляемыми, а не током-управляемыми, IGFET позволяют более простые схемы. Рассмотрим инвертор на P- и N-канальных IGFET:

 

 

Метка Vdd на положительном питании следует той же конвенции, что Vcc в TTL: постоянное напряжение на стоке полевого транзистора относительно земли.

 

Работа элемента с усиленными IGFET (Enhancement-mode)

Низкий вход

Подключим схему к питанию и входному переключателю. Заметьте: IGFETы типа E (enhancement) — нормально закрыты. Открываются только при правильной полярности напряжения затвор-сток (или затвор-подложка).

 

 

Верхний транзистор P-канальный. Когда подложка более положительна затвора (затвор отрицателен относительно подложки), канал усиливается и ток течёт между истоком и стоком. На иллюстрации верхний транзистор открыт, нижний N-канальный — закрыт (нулевое напряжение затвор-подложка).

Следовательно, выход твёрдо соединён с Vdd и имеет очень высокое сопротивление к земле, выдавая логическую «1» при входе «0».

Высокий вход

Переключим вход в противоположное состояние:

 

 

Теперь нижний N-канальный насыщается, верхний P-канальный остаётся закрытым. Выход становится «0». Схема работает как инвертор (NOT).

Комплементарные металл-оксид-полупроводники (CMOS)

Использование MOSFET вместо биполярных транзисторов сильно упрощает инвертор. Выход никогда не висит — благодаря естественной «тотем-полюсной» конфигурации, способной и источать, и приёмкать нагрузочный ток.

Элегантность элемента в комплементарном использовании P- и N-канальных IGFET. Такие схемы классифицируются как CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

Проблемы и решения в CMOS элементах

В отличие от TTL, CMOS элементы уязвимы к высоким напряжениям статического электричества и могут случайно переключиться, если оставлены висячими. Поэтому висячие входы всегда нужно избегать.

Проблемы висячих входов

Рассмотрим однопозиционный переключатель, соединяющий вход с Vdd или землёй в одном положении, но оставляющий висячим в другом:

 

 

Аналогично, open-collector TTL выход (висячий при «1») может оставить CMOS вход неопределённым:

 

 

Подтягивающие резисторы (Pull-up и Pull-down)

Для стабилизации висячих входов резистор соединяют с Vdd (pull-up) или землёй (pull-down). Типичное значение 10 кОм, точное сопротивление некритично.

Pull-up пример:

 

 

Pull-down пример:

 

 

При интерфейсе open-collector TTL выхода к CMOS входу нужен pull-up резистор для определения высокого состояния:

 

 

Для многовходовых CMOS элементов каждый вход требует свой pull-up или pull-down.

 

 

Проектирование многовходовых CMOS элементов

CMOS NAND элемент

Типичная схема CMOS NAND:

 

 

Транзисторы Q₁ и Q₃ образуют последовательную P-/N-канальную пару, управляемую входом A; Q₂ и Q₄ — аналогичную пару для входа B. Верхние транзисторы источают ток от Vdd, нижние — приёмкают в землю. Выход высок, пока не проведут оба нижних транзистора одновременно, т.е. только когда оба входа высоки.

Иллюстрации таблицы истинности

Визуальные изображения поведения NAND для всех четырёх комбинаций входов:

 

 

 

 

 

CMOS AND элемент

AND получается добавлением инверторной стадии на выходе NAND:

 

 

CMOS NOR элемент

Аналогично NAND, NOR использует четыре MOSFET, но расставляет их иначе: две последовательные источающие и две параллельные приёмкающие. Выход высок только когда оба входа низки.

 

 

CMOS OR элемент

Добавлением инвертора к выходу NOR получаем OR.

 

 

TTL против CMOS: плюсы и минусы

Оба семейства реализуют любую логическую функцию, но значительно отличаются по ключевым аспектам:

• Потребление энергии: CMOS практически не потребляет статический ток, тогда как TTL потребляет постоянный смещающий ток. Однако мощность CMOS растёт с частотой переключения; TTL — относительно постоянна.
• Выходная нагрузка (Fan-out): CMOS входы потребляют минимальный ток, позволяя одному элементу управлять многими другими. Fan-out TTL ограничен токоуправляемыми входами.
• Диапазон питания: TTL обычно 4,75–5,25 В. CMOS комфортно 3–15 В благодаря напряжению-управляемым MOSFET.
• Скорость: TTL обычно быстрее CMOS, так как входная ёмкость MOSFET создаёт большие RC-постоянные, замедляя фронты.

Повышение скорости CMOS: B-серия элементов

Для компенсации медленного отклика CMOS на выход добавляют буферы (два каскадированных инвертора), повышая напряжённое усиление и ускоряя переходы. Логически избыточные, дополнительные стадии улучшают производительность за счёт усиления размаха сигнала.

 

Обзор

• CMOS логические элементы используют MOSFET вместо биполярных транзисторов.
• Входы чувствительны к статическому электричеству и не должны висеть.
• Pull-up/pull-down резисторы решают проблемы висячих входов.
• CMOS потребляет меньше энергии чем TTL, но мощность растёт с частотой.
• CMOS входы потребляют намного меньше тока, позволяя выше fan-out.
• CMOS работает в шире диапазоне питания (3–15 В) против TTL (4,75–5,25 В).
• CMOS имеет нижнюю максимальную частоту из-за входной ёмкости.
• B-серия использует буферизованные выходы для повышения скорости.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по изолированным затвору полевых транзисторам
• Рабочий лист по CMOS логическим элементам