Moppi- ja CMOS-transistorit. Kmop mikropiirit - ihanteellinen logiikkapiirien perhe

CMOS-logiikkaportit

Yllä olevat vastaavat piirikaaviot voidaan saada käyttämällä vain PMOS-transistoreja. Suurin mielenkiinto on kuitenkin PMOS- ja NMOS-transistorien yhdistetty käyttö. Tämä tekniikka on nykyään suosituin ja sitä kutsutaan CMOS-tekniikaksi. Se tarjoaa maksimaalisen solun suorituskyvyn alhaisella virrankulutuksella verrattuna kaikkiin muihin teknologioihin.

NMOS-piireissä logiikkatoiminnot toteutettiin yhdistämällä NMOS-transistorikytkennät yhdistettynä virtaa rajoittavaan elementtiin.

Koska kaikki NMOS-transistoreille rakennetut elementit toteuttavat negatiivisia toimintoja (EI, TAI-EI, JA-EI), jolloin ne voidaan esittää tavanomaisesti kuvan 1.9 lohkokaavion mukaisesti.

Kuva 1.9 - NMOS-piirin rakenne

Tässä tapauksessa kaikki transistoripiirit yhdistetään PDN (Pull-down Network) -lohkoksi - negatiiviseksi logiikkalohkoksi. Suorien loogisten toimintojen toteuttamiseksi on tarpeen yhdistää kaksi negatiivista elementtiä, mikä vähentää koko elementin nopeutta kokonaisuutena. CMOS-piirien konsepti perustuu suorien toimintojen (AND, OR) toteuttamiseen PMOS-transistoreilla siten, että suoran logiikan lohkot (PUN - Pull-up Network) ja negatiivisen logiikan lohkot (PDN - Pull-down Network) ) täydentävät toisiaan. Tällöin tyypillisen loogisen elementin toteuttava looginen piiri on kuvan 1.10 muodoltaan.

Kuva 1.10 - CMOS-piirin rakenne

Kaikille tulojen yhdistelmälle PDN asettaa V f -lähdön loogisen nollatason tasolle tai PUN asettaa tämän lähdön loogisesti korkealle tasolle. PDN:ssä ja PUN:ssa on sama määrä transistoreita, jotka on sijoitettu siten, että kaksi yksikköä toimivat rinnakkain. Kun PDN sisältää sarjaan kytkettyjä NMOS-transistoreja, PUN on rakennettu rinnakkain kytketyillä PMOS-transistoreilla ja päinvastoin.

Yksinkertaisin esimerkki CMOS-piiristä on invertteri, joka näkyy kuvassa 1.11.

Kuva 1.11 - CMOS-invertterin toteutus

Kun V x = 0 V, T2 on pois päältä ja T1 on päällä. Siksi V f = 5V, ja koska T2 on pois päältä, transistorien läpi ei kulje virtaa. Kun V x = 5V, niin T2 on auki ja T1 kiinni. Siten V f = 0V, eikä virtapiirissä ole edelleenkään virtaa, koska transistori T1 on pois päältä. Tämä ominaisuus koskee kaikkia CMOS-piirejä - logiikkaportit eivät käytännössä kuluta virtaa staattisessa tilassa. Tällaisten piirien virta kulkee vain elementtien kytkennän aikana (siksi, kun tällä tekniikalla rakennettujen laitteiden toimintataajuutta kasvaa, myös energiankulutus kasvaa). Tämän seurauksena CMOS-piireistä on tullut digitaalisten logiikkalaitteiden suosituin tekniikka.

Kuva 1.12 on kaavio NAND CMOS -portista. Tämän elementin toteutus on samanlainen kuin kuvan 1.5 NMOS-piiri, paitsi että virranrajoitusvastus on korvattu kahden rinnakkain kytketyn PMOS-transistorin PUN-lohkolla. Kuvan totuustaulukko näyttää kunkin neljän transistorin tilan kullekin tulojen x 1 ja x 2 loogiselle yhdistelmälle. On helppo tarkistaa, että tämä piiri toteuttaa loogisen NAND-toiminnon. Staattisessa tilassa virralla ei ole polkua V DD:stä Gnd:hen.

Kuva 1.12 - Loogisen elementin NAND CMOS-toteutus

Kuvan 1.12 piiri voidaan saada loogisesta lausekkeesta, joka määrittelee loogisen NAND-funktion,. Tämä lauseke määrittelee ehdot, joissa f= 1; näin ollen se määrittää PUN-lohkon käyttäytymisen. Koska tämä lohko koostuu PMOS-transistoreista, jotka avautuvat, kun niiden tuloihin syötetään looginen nolla, tulomuuttuja x i kytkee transistorin päälle, jos x i = 0. De Morganin säännön mukaan meillä on:

Täten f = 1 kun joko tulo x 1 tai tulo x 2 on looginen nolla, mikä tarkoittaa, että PUN:ssa on oltava kaksi PMOS-transistoria kytkettynä rinnakkain. PDN-lohkon tulee täydentää funktiota f, jonka muoto on:

f = x 1 x 2

Toiminto f = 1 kun molemmat tulot x 1 ja x 2 ovat 1, joten PDN-yksikössä on oltava kaksi NMOS-transistoria sarjassa.

OR-NOT-elementin CMOS-toteutuksen piiri voidaan saada loogisesta lausekkeesta.

Hyvä esimerkki siitä, kuinka monimutkaista ja hämmentävää on tutkimus- ja kehitysprojektien priorisoinnissa, on CMOS-sirut ja kuinka ne tulevat markkinoille.

Tosiasia on, että MOS-rakenteen taustalla oleva kenttäilmiö löydettiin jo 1920-luvun lopulla, mutta radiotekniikka koki silloin tyhjiölaitteiden (radioputkien) puomin ja kiderakenteissa havaittuja vaikutuksia pidettiin lupaamattomina.

Sitten 40-luvulla kaksinapainen transistori löydettiin käytännössä uudelleen, ja vasta sitten, kun kaksinapaisten transistorien lisätutkimukset ja parannukset osoittivat, että tämä suunta oli johtamassa umpikujaan, tutkijat muistivat kenttävaikutuksen.

Näin ilmestyi MOS-transistori ja myöhemmin CMOS-mikropiirit. Kirje TO lyhenteen alussa tarkoittaa täydentävää, eli täydentävää. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että mikropiireissä käytetään transistorien pareja, joilla on täsmälleen samat parametrit, mutta toisessa transistorissa on n-tyypin hila ja toisessa p-tyypin hila. Vieraalla tavalla kutsutaan CMOS-mikropiirejä CMOS(Täydentävä metallioksidipuolijohde). Käytetään myös lyhenteitä KMDP, K-MOP.

Perinteisistä transistoreista esimerkkinä komplementaarisesta parista ovat transistorit KT315 ja KT361.

Ensin radioelektronisten komponenttien markkinoille ilmestyi kenttätransistoreihin perustuva K176-sarja ja tämän sarjan jatkokehityksenä kehitettiin erittäin suosittu K561-sarja. Tämä sarja sisältää suuren määrän logiikkasiruja.

Koska kenttätransistorit eivät ole yhtä kriittisiä syöttöjännitteelle kuin bipolaariset, tämä sarja saa virtaa jännitteestä +3 - +15V. Tämä mahdollistaa tämän sarjan laajan käytön erilaisissa laitteissa, mukaan lukien akkukäyttöisissä laitteissa. Lisäksi K561-sarjan mikropiireihin kootut laitteet kuluttavat hyvin vähän virtaa. Eikä ihme, sillä CMOS-mikropiirien perustana on kenttävaikutteinen MOS-transistori.

Esimerkiksi K561TP2-mikropiiri sisältää neljä RS-kiikkua ja kuluttaa 0,14 mA virtaa, ja vastaava K155-sarjan mikropiiri kulutti vähintään 10 - 12 mA. CMOS-rakenteisiin perustuvilla mikropiireillä on erittäin korkea tuloimpedanssi, joka voi olla jopa 100 megaohmia tai enemmän, joten niiden kantavuus on melko suuri. Yhden mikropiirin lähtöön voidaan kytkeä 10 - 30 mikropiirin tulot. TTL-mikropiireille tällainen kuormitus aiheuttaisi ylikuumenemista ja vikoja.

Siksi CMOS-transistoreja käyttävien mikropiirien solmujen suunnittelu mahdollistaa yksinkertaisempien piiriratkaisujen käytön kuin TTL-mikropiirejä käytettäessä.

Ulkomailla yleisin K561-sarjan analogi on merkitty CD4000:ksi. Esimerkiksi vieras CD4011 vastaa K561LA7-mikropiiriä.

K561-sarjan mikropiirejä käyttämällä ei pidä unohtaa joitain niiden toiminnan vivahteita. On syytä muistaa, että vaikka mikropiirit toimivat laajalla jännitealueella, syöttöjännitteen pienentyessä kohinansieto heikkenee ja pulssi "leviää" hieman. Eli mitä lähempänä syöttöjännite on maksimiarvoa, sitä jyrkemmät pulssin reunat ovat.

Kuvassa on klassinen peruselementti (portti), joka invertoi tulosignaalin (EI-elementti). Eli jos tuloon tulee looginen yksikkö, ulostulosta poistetaan looginen nolla ja päinvastoin. Täydentävä pari "n" ja "p" hilatyyppisiä transistoreja on esitetty selvästi tässä.

Seuraavassa kuvassa on peruselementti 2I - NOT. On selvästi nähtävissä, että vastukset, jotka ovat mikropiirin samanlaisessa TTL-elementissä, puuttuvat tästä. Kahdesta tällaisesta elementistä on helppo saada laukaisu, ja peräkkäisestä liipaisusarjasta on suora tie laskuriin, rekistereihin ja muistilaitteisiin.

Kaikilla K561-sarjan integroitujen piirien positiivisilla ominaisuuksilla niillä on tietysti haittoja. Ensinnäkin suurimman toimintataajuuden suhteen CMOS-mikropiirit ovat huomattavasti huonompia kuin mikropiirit, joilla on erilainen logiikka ja jotka toimivat bipolaarisilla transistoreilla.

Taajuus, jolla K561-sarja toimii luotettavasti, ei ylitä 1 MHz. MOS-rakenteisiin perustuvien mikropiirien sovittamiseksi muihin sarjoihin, esimerkiksi TTL, käytetään tasomuuntimia K561PU4, K561LN2 ja muita. Nämä mikropiirit synkronoivat myös nopeuden, joka voi vaihdella sarjasta toiseen.

Mutta komplementaaristen MOS-rakenteiden mikropiirien suurin haittapuoli on mikropiirin voimakkain herkkyys staattiselle sähkölle. Siksi tehtaat ja laboratoriot on varustettu erityisillä työpaikoilla. Pöydällä kaikki työt tehdään metallilevylle, joka on kytketty yhteiseen maadoitusväylään. Sekä juotosraudan runko että työntekijän kädessä oleva metallirannekoru on yhdistetty tähän väylään.

Jotkut mikropiirit tulevat myyntiin folioon pakattuna, mikä oikosulkee kaikki johdot toisiinsa. Kotona työskennellessä on myös löydettävä tapa, jolla staattinen varaus pääsee valumaan ainakin lämmitysputkeen. Asennuksen aikana juotetaan ensin virtajohdot ja vasta sitten kaikki loput.

TTL:n tärkein yleinen ominaisuus on bipolaaristen transistorien käyttö, ja rakenteet ovat vain p-p-p. CMOS perustuu nimensä mukaisesti kenttätransistoreihin, joissa on eristetty MOS-rakenteen portti, lisäksi komplementaarinen, eli molemmilla napaisuuksilla - w- ja c / ^ -kanavalla. Peruslogiikkaelementtien TTL ja CMOS piirit on esitetty kuvassa. 15.1. Lännessä niitä kutsutaan myös venttiileiksi - katsotaan kuinka tämä nimi voidaan perustella luvun lopussa.

Olemme jo piirtäneet TTL-tulon moniemitteritransistorin luvussa I - siinä voi olla niin monta (käytännössä jopa kahdeksan) emitteriä kuin haluat, ja elementillä on tällöin vastaava määrä tuloja. Jos jokin transistorin VT1 emittereistä on kiinni maadoituksessa, transistori avautuu ja vaihejakotransistori VT2 (sen toiminta tunnetaan kuvasta 6.8) sulkeutuu. Vastaavasti lähtötransistori VT3 avautuu ja VT4 sulkeutuu, lähtö on korkea looginen taso tai loogisen yksikön taso. Jos kaikki emitterit on kytketty korkeaan potentiaaliin (tai yksinkertaisesti "roikkuu" ilmassa), tilanne on päinvastainen - VT2 avautuu virralla kanta-kollektorin siirtymän VT1 kautta (tällaista transistorin päällekytkentää kutsutaan "käänteiseksi" "), ja lähtö asetetaan nollaan avoimen transistorin VT4 vuoksi. Tällainen TTL-elementti suorittaa "AND-NOT"-toiminnon (looginen nolla lähdössä vain, jos kaikki tulot ovat ykkösiä).

TTL

TTL-elementin lähtöaste on eräänlainen komplementaarinen ("push-pull") -luokan B-aste, joka on meille tuttu analogisista vahvistimista (ks. kuva 8.2). Pnp-transistorien toisto osoittautui kuitenkin liian vaikeaksi TTL-tekniikalle, joten tällaista kaskadia kutsutaan myös pseudokomplementaariseksi - ylempi transistori VT3 toimii emitteriseuraajan tilassa ja alempi - piirissä. yhteisellä emitterillä.

Riisi. 15.1. Peruselementtikaaviot TTL ja CMOS

Muuten, panemme merkille, että p-w-p-transistorien saavuttamattomuuden vuoksi "OR"-piirin toisto TTLg-teknologialle osoittautui kovaksi mutteriksi, ja sen piirit eroavat melko merkittävästi kuvassa 2 esitetystä. 15.1 elementin "NAND" peruskaaviosta.

Reunahuomautuksia

Transistoritekniikan kynnyksellä käytettiin pseudokomplementaarisia vaiheita, kuten TTL-lähtöaste - kauhua! - parantaa ääntä. Tämä rakenne synnytti lukuisia yrityksiä sovittaa loogisia elementtejä, jotka pohjimmiltaan ovat vahvistin, jolla on melko suuri (useita kymmeniä) vahvistus, vahvistamaan analogisia signaaleja. Tarpeetonta sanoa, että tulokset olivat melko huonoja, vaikka CMOS-elementti oli paljon symmetrisempi.

Kuten kaaviosta näkyy, TTL-elementti on olennaisesti epäsymmetrinen sekä tuloissa että lähdöissä. Tulossa loogisen nollajännitteen tulisi olla tarpeeksi lähellä "maata", emitterin jännitteellä noin 1,5 V (tavallisen TTL-virtalähteen ollessa 5 V), tulotransistori on jo kytketty pois päältä. Lisäksi nollaa syötettäessä on varmistettava melko merkittävän kanta-emitterivirran - vakioelementille noin 1,6 mA - tyhjennys, minkä vuoksi TTL-elementeillä on aina maksimimäärä muita samanaikaisia ​​lähtöön kytkettyjä elementtejä. määrätty (vakio - enintään tusina). Samanaikaisesti looginen yksikkö voidaan jättää kokonaan pois tuloista. Käytännössä se tulisi kuitenkin syöttää - sääntöjen mukaan käyttämättömät TTL-tulot on kytkettävä virransyöttöön 1 kOhm vastusten kautta.

Tilanne on vielä pahempi lähdössä: loogisen nollan jännitteen antaa avoin transistori ja se on todellakin melko lähellä nollaa - jopa tusinan muiden vastaavien elementtien sisääntulon muodossa olevalla kuormalla se ei ylitä 0,5 V, ja TTL-signaalin normeissa arvo on enintään 0, 8 V. Mutta loogisen yksikön jännite on melko kaukana virtalähteestä ja on 5 V:n jännitteellä parhaimmillaan ( ei kuormaa) 3,5 - 4 V, käytännössä normit määräävät arvon 2,4 V.

Tällaiset tasapainottavat voltin kymmenesosat (nollajännite 0,8 V, kytkentäkynnysjännite 1,2 - 2 V, yksikköjännite 2,4 V) johtavat siihen, että kaikki TTL-mikropiirit voivat toimia melko kapealla syöttöjännitealueella - käytännössä 4,5 - 5,5 V, monet jopa 4,75 - 5,25 V, eli 5 V ± 5%. Suurin sallittu syöttöjännite eri TTL-sarjoille on 6-7 V, ja sen ylittyessä ne yleensä palavat kirkkaalla liekillä. Alhainen ja epäsymmetrinen elementin toiminnan tehonsyöttökynnykseen nähden johtaa myös huonoon melunsietoon.

TTL:n suurin (ja muitakin vakavampi) haittapuoli on sen korkea kulutus - jopa 2,5 mA yhtä tällaista elementtiä kohden, tämä tapahtuu ottamatta huomioon virtaavia virtoja tulossa ja kuorman kulutusta lähdössä. Voidaan siis vain ihmetellä, miksi monia peruselementtejä, kuten laskureita tai rekistereitä, sisältävät TTL-mikropiirit eivät vaadi jäähdyttävää jäähdytyselementtiä. Alhaisen melunsietokyvyn ja suuren kulutuksen yhdistelmä on melko räjähtävä seos, ja kun kytket TTL-mikropiireillä varustettuja piirilevyjä, sinun on asennettava erotuskondensaattori jokaiseen tapaukseen. Kaikki edellä mainitut yhdessä yhteensä olisivat jo kauan sitten pakottaneet luopumaan TTL-tekniikasta kokonaan, mutta heillä oli jonkin aikaa yksi kiistaton etu: korkea suorituskyky, joka peruselementille kuvassa 2 esitetyssä muodossa. 15,1 voi saavuttaa kymmeniä megahertsejä.

Jatkossa TTL:n kehitys meni kulutuksen vähentämisen ja sähköisten ominaisuuksien parantamisen linjaa lähinnä ns. Schottky-liitokset, joissa jännitehäviö voi olla 0,2-0,3 V tavanomaisen 0,6-0,7 V sijasta (TTLSh-tekniikka, merkitty S-kirjaimella sarjan nimessä, kotimainen analogi on sarjat 531 ja 530). Perustekniikkaa, joka muodosti 1960- ja 1970-luvuilla laajalle levinneen 74-sarjan perustan, ilman lisäkirjaimia nimityksessä (analogeja ovat kuuluisat kotimaiset sarjat 155 ja 133), nyt ei käytännössä käytetä. TTL-siruja on tällä hetkellä saatavana pienitehoisina 74LSxx-sarjoina (555- ja 533-sarja) tai nopeana 74Fxx-sarjana (1531-sarja). Lisäksi jälkimmäisen kulutus on käytännössä yhtä suuri kuin vanhan perussarjan kulutus suuremmalla (jopa 125 MHz) nopeudella, ja edellisen kohdalla tilanne on päinvastoin - nopeus pidetään perustasolla, mutta virrankulutus pienenee kolmesta neljään kertaan.

CMOS

CMOS-elementit ovat paljon lähempänä ajatusta siitä, millainen ideaalisen logiikkaelementin tulisi olla. Aluksi, kuten näet kuvasta. 15.1, ne ovat käytännössä symmetrisiä sekä tulo- että lähdössä. Avoin kenttätransistori lähdössä (joko /? -tyyppi loogiselle yksikölle tai "-tyyppi loogiselle nollalle) on itse asiassa, kuten tiedämme.

yksinkertaisesti vastus, joka tavanomaisissa CMOS-elementeissä voi vaihdella 100 - 300 ohmia ("perinteisellä" tai "klassisella" CMOS:lla tarkoitamme tässä 4000A tai 4000V sarjaa, katso alla). Symmetrian lisäämiseksi lähtöön asennetaan yleensä kaksi vaihtosuuntaajaa sarjaan, kuten kuvassa 1. 15.1 oikealla (harmi, ehkä transistorit, jos kulutus ei kasva?). Siksi lähtöön ei vaikuta se, että "AND-NOT"-piirin alavarressa on sarjassa kaksi tällaista transistoria.

"OR"-piirissä tällaiset transistorit seisovat olkavarressa - se on täysin symmetrinen "AND"-piiriin nähden, mikä on myös CMOS-tekniikan plus TTL:ään verrattuna. Huomaa myös, että invertterin lähtöastetta ei ole rakennettu "push-pull" -asteen mukaan, eli nämä eivät ole vuojännitteen seuraajia, vaan transistoreja yhteislähdepiirissä, joka on kytketty viemärillä, minkä avulla voit saada ylimääräinen jännitteen vahvistus.

Käytännössä elementin rakenteen ominaisuudet johtavat siihen, että CMOS-mikropiireissä:

Kuormittamattomassa lähdössä loogisen yksikön jännite on käytännössä yhtä suuri kuin syöttöjännite ja loogisen nollan jännite on käytännössä yhtä suuri kuin "maa"-potentiaali;

Kytkentäkynnys on lähes puolet syöttöjännitteestä;

Tulot eivät käytännössä kuluta virtaa, koska ne ovat eristettyjä MOS-transistorien portteja;

Staattisessa tilassa koko elementti ei myöskään ota virtaa virtalähteestä.

Jälkimmäisestä asennosta seuraa, että CMOS-elementeillä rakennettu monimutkainen piiri "jäädytettynä" ja jopa matalilla toimintataajuuksilla, jotka eivät ylitä tusinaa tai kahta kilohertsiä, ei käytännössä kuluta energiaa! Tästä lähtien on selvää, kuinka tällaiset temput tulivat mahdollisiksi, kuten rannekello, joka voi toimia pienellä akulla vuosia, tai mikro-ohjainten lepotila, jossa ne kuluttavat 1 - 50 μA kaikista kymmenistä tuhansista ainesosistaan. loogisia elementtejä.

Toinen yllä olevien ominaisuuksien seuraus on poikkeuksellinen melunsieto, joka saavuttaa puolet syöttöjännitteestä. Mutta tässä ei ole kaikki edut. "Klassisen" sarjan CMOS-mikropiirit voivat toimia syöttöjännitealueella 2-18 V ja nykyaikaiset nopeat mikropiirit - 2-7 V. Ainoa asia, joka tässä tapauksessa tapahtuu, on, kun

virtalähteen väheneminen melko jyrkästi - suorituskyky heikkenee ja jotkut muut ominaisuudet heikkenevät.

Lisäksi CMOS-lähtötransistorit, kuten kaikki muutkin kenttätransistorit, toimivat ylikuormitettuina (esimerkiksi oikosulkutilassa) virtalähteinä - 15 V:n syöttöjännitteellä tämä virta on noin 30 mA ja 5 V. - noin 5 mA. Lisäksi tämä voi periaatteessa olla tällaisten elementtien pitkäaikainen toimintatapa, ainoa asia, joka on tarkistettava on, onko lähtötehon läpi sallitun kokonaisvirran arvo, joka on yleensä noin 50 mA. ei ylitetty. Eli voi olla tarpeen rajoittaa samanaikaisesti matalaimpedanssiseen kuormaan kytkettyjen lähtöjen määrää. Luonnollisesti tällaisessa tilassa ei enää puhuta loogisista tasoista, vain sisään- tai ulosvirtauksesta.

Ja tässä tulemme "klassisen" CMOS-tekniikan päähaittoon - alhainen nopeus verrattuna TTL:ään. Tämä johtuu siitä, että MOS-transistorin eristetty hila on melko suuren kapasiteetin kondensaattori - peruselementissä jopa 10-15 pF. Yhdessä edellisen piirin lähtöresistanssivastuksen kanssa tällainen kondensaattori muodostaa alipäästösuodattimen. Yleensä ei huomioida vain taajuusominaisuuksia, vaan yhden loogisen elementin signaalin etenemisviivettä. Viive johtuu siitä, että signaalirintama ei ole tiukasti pystysuora, vaan vino, ja lähtöjännite alkaa kasvaa (tai laskea) vasta, kun tulojännite on jo saavuttanut merkittävän arvon (ihannetapauksessa puolet syöttöjännitteestä) . Varhaisessa CMOS-sarjassa viive voi olla 200-250 NS (vertaa - perus-TTL-sarjassa vain 7,5 ns). Käytännössä 5 V:n syöttöjännitteellä "klassisen" CMOS:n suurin toimintataajuus ei ylitä 1-3 MHz - yritä rakentaa neliöaaltogeneraattori logiikkaelementeille minkä tahansa käsiteltävän piirin mukaisesti. luvussa 16, ja näet, että jo 1 MHz:n taajuudella aaltomuoto on enemmän kuin siniaalto kuin suorakulmio.

Toinen seuraus korkean tulokapasitanssin olemassaolosta on, että kytkettäessä tapahtuu tämän kapasitanssin latausvirran pulssi, eli mitä korkeampi toimintataajuus, sitä enemmän mikropiiri kuluttaa, ja uskotaan, että maksimikäyttötaajuuksilla sen kulutusta voidaan verrata TTL:n kulutukseen (ainakin , TTL-sarja 74LS). Asiaa pahentaa entisestään se, että laajennettujen pulssirintamien takia elementti on aktiivisessa tilassa melko pitkään, kun molemmat lähtötransistorit ovat hieman auki (eli ns. "läpivirta"-ilmiö tapahtuu).

Sama reunojen viive yhdistettynä korkean impedanssin tuloon johtaa melunsietokyvyn heikkenemiseen kytkettäessä - jos korkeataajuinen kohina "istuu" signaalin reunalla, tämä voi johtaa useisiin lähtökytkentöihin, kuten tapahtui. vertailijan kanssa (katso luku 13). Tästä syystä mikropiirimääritykset osoittavat usein ohjaussignaalin halutun maksiminousuajan.

Nykyaikaisissa CMOS-järjestelmissä, toisin kuin "klassisissa", suurin osa alhaiseen nopeuteen liittyvistä haitoista on kuitenkin voitettu (tosinkin vähentämällä sallittua virtalähdealuetta). Lisätietoja CMOS-sarjasta on kuvattu alla, mutta toistaiseksi muutama sana näiden mikropiirien ominaisuuksista.

CMOS-elementin käyttämättömät tulot on kytkettävä jonnekin - joko maahan tai virtalähteeseen (vastuksia ei vaadita, koska tulo ei kuluta virtaa), tai ne on yhdistettävä viereiseen tuloon - muuten poimija korkean impedanssin tulo häiritsee piirin toimintaa kokonaan. Lisäksi kulutuksen vähentämiseksi tämä tulisi tehdä myös saman paketin käyttämättömien elementtien osalta (mutta ei tietenkään kaikille käyttämättömille lähtöille). "Paljas" CMOS-tulo voi suuren resistanssinsa vuoksi myös lisätä sirujen "kuolleisuutta" joutuessaan alttiiksi staattiselle sähkölle, mutta käytännössä tulot on aina shunted diodeilla, kuten kuvassa 2 näkyy. 11.4. Myös näiden diodien läpi kulkeva sallittu virta on määritelty teknisissä tiedoissa.

Logic CMOS (CMDP) invertterit

Täydentävien MOS-transistoreiden mikropiirit (CMOS-mikropiirit) on rakennettu n- ja p-kanavaisten MOS-transistoreiden pohjalta. Sama tulopotentiaali käynnistää n-kanavaisen transistorin ja sammuttaa p-kanavatransistorin. Kun looginen yksikkö muodostetaan, ylempi transistori on auki ja alempi on kiinni. Tämän seurauksena CMOS-piirin läpi ei kulje virtaa. Kun looginen nolla muodostetaan, alempi transistori on auki ja ylempi on kiinni. Ja tässä tapauksessa virtalähteestä tuleva virta ei kulje mikropiirin läpi. Yksinkertaisin logiikkaelementti on invertteri. komplementaarisille MOS-transistoreille tehty invertteri on esitetty kuvassa 1.

Tämän CMOS-mikropiirien ominaisuuden seurauksena niillä on etu aiemmin harkittuihin tyyppeihin verrattuna - ne kuluttavat virtaa tuloon käytetyn kellotaajuuden mukaan. Kuvassa 2 on likimääräinen käyrä CMOS-mikropiirin virrankulutuksen riippuvuudesta sen kytkentätaajuudesta riippuen.

Logic CMOS (CMDP) -elementit "AND"

Loogisen elementin "AND-NOT" kaavio CMOS-siruilla lähes sama kuin yksinkertaistettu AND-piiri elektronisesti ohjatuilla avaimilla, jota tarkastelimme aiemmin. Erona on, että kuormaa ei ole kytketty piirin yhteiseen johtoon, vaan virtalähteeseen. Kaavamainen kaavio logiikkaelementistä "2I-NOT", joka on tehty komplementaarisille MOS-transistoreille (CMOS), on esitetty kuvassa 3.

Tässä piirissä olkavarressa voitaisiin käyttää tavallista, mutta matalan signaalitason muodostuessa piiri kuluttaisi jatkuvasti virtaa. Sen sijaan kuormana käytetään p-MOS-transistoreja. Nämä transistorit muodostavat resistiivisen kuorman. Jos ulostuloon vaaditaan korkean potentiaalin muodostaminen, transistorit avautuvat, ja jos se on alhainen, ne sulkeutuvat.

Kuvassa 2 esitetyssä CMOS-logiikkaelementin "AND" kaaviossa virtalähteestä CMOS-mikropiirin lähtöön kulkeva virta kulkee yhden transistorin läpi, jos ainakin yksi tuloista (tai molemmista kerralla) on alhainen potentiaali (looginen taso nolla). Jos loogisen CMOS-elementin "AND" molemmissa tuloissa on loogisen yksikön taso, niin molemmat p-MOS-transistorit sulkeutuvat ja CMOS-mikropiirin lähtöön muodostuu pieni potentiaali. Tässä piirissä, kuten myös kuvassa 1 esitetyssä piirissä, jos olkavarren transistorit ovat auki, alavarren transistorit ovat kiinni, joten staattisessa tilassa virtaa ei kuluta CMOS-mikropiirin virtalähteestä.

Perinteinen graafinen esitys CMOS-logiikkaelementistä "2I-NOT" on esitetty kuvassa 4 ja totuustaulukko on esitetty taulukossa 1. Taulukossa 1 tulot on merkitty x 1 ja x 2 ja lähtö on F.

Taulukko 1. Totuustaulukko CMOS-mikropiiristä, joka suorittaa "2I-NOT"

CMOS-logiikkaportissa "2OR-NOT" käytetään kuormana sarjaan kytkettyjä p-MOS-transistoreja. Siinä virta virtalähteestä CMOS-mikropiirin lähtöön virtaa vain, jos kaikki olkavarren transistorit ovat auki, ts. jos kaikilla tuloilla on alhainen potentiaali kerralla (). Jos ainakin yhdellä tuloista on logiikka yksi taso, niin CMOS-transistoreille kootun push-pull-asteen ylävarsi sulkeutuu eikä virtalähteestä virtaa CMOS-mikropiirin lähtöön. .

CMOS-mikropiirin toteuttaman loogisen elementin "2OR-NOT" totuustaulukko on esitetty taulukossa 2, ja näiden elementtien perinteinen graafinen nimitys on esitetty kuvassa 6.

Taulukko 2. Totuustaulukko MOS-mikropiiristä, joka suorittaa loogisen toiminnon "2OR-NOT"

Tällä hetkellä CMOS-mikropiirit ovat saaneet eniten kehitystä. Lisäksi näiden mikropiirien syöttöjännitteessä on jatkuva taipumus laskea. Ensimmäisessä sarjassa CMOS-mikropiirejä, kuten K1561 (ulkomainen analogi C4000V), oli melko laaja valikoima syöttöjännitteen vaihteluita (3...18V). Samanaikaisesti, kun tietyn mikropiirin syöttöjännite laskee, sen suurin toimintataajuus laskee. Myöhemmin tuotantotekniikan parantuessa ilmestyi parannettuja CMOS-mikropiirejä paremmilla taajuusominaisuuksilla ja pienemmällä syöttöjännitteellä, esimerkiksi SN74HC.

CMOS-mikropiirien käytön ominaisuudet

CMOS-mikropiirien ensimmäinen ja tärkein ominaisuus on näiden mikropiirien korkea tuloimpedanssi. Tämän seurauksena tuloon voidaan indusoida mikä tahansa jännite, mukaan lukien puolet syöttöjännitteestä, ja se voidaan varastoida siihen pitkään. Kun puolet tehonsyötöstä syötetään CMOS-elementin sisäänmenoon, transistorit avautuvat sekä lähtöasteen ylä- että alavarressa, minkä seurauksena mikropiiri alkaa kuluttaa liian suurta virtaa ja saattaa epäonnistua. Lähtö: digitaalisten CMOS-mikropiirien tuloja ei saa koskaan jättää kytkemättä!

Toinen CMOS-sirujen ominaisuus on, että ne voivat toimia, kun virta on katkaistu. Ne toimivat kuitenkin usein väärin. Tämä ominaisuus liittyy syöttövaiheen suunnitteluun. CMOS-invertterin täydellinen kaavio on esitetty kuvassa 7.

Diodit VD1 ja VD2 otettiin käyttöön suojaamaan tuloastetta staattiselta häiriöltä. Samanaikaisesti, kun CMOS-mikropiirin tuloon kohdistetaan korkea potentiaali, se menee VD1-diodin kautta mikropiirin tehoväylään, ja koska se kuluttaa melko vähän virtaa, CMOS-mikropiiri alkaa toimia. Joissakin tapauksissa tämä virta ei kuitenkaan välttämättä riitä mikropiirien virransyöttöön. Tämän seurauksena CMOS-siru ei ehkä toimi kunnolla. Lähtö: Jos CMOS-mikropiiri ei toimi kunnolla, tarkista mikropiirin virtalähde huolellisesti, varsinkin kotelon tapit. Jos negatiivinen syöttöliitin on juotettu huonosti, sen potentiaali eroaa piirin yhteisen johdon potentiaalista.

CMOS-mikropiirien neljäs ominaisuus on impulssivirran virtaus tehopiirin läpi, kun se vaihtaa nollasta yksittäiseen ja päinvastoin. Tämän seurauksena, kun vaihdetaan TTL-mikropiireistä analogisiin CMOS-mikropiireihin, kohinan taso nousee jyrkästi. Joissakin tapauksissa tämä on tärkeää, ja CMOS-mikropiirien käytöstä on luovuttava jommankumman BICMOS-mikropiirin hyväksi.

CMOS-logiikan tasot

CMOS-mikropiirien logiikkatasot eroavat merkittävästi. Kuormavirran puuttuessa CMOS-mikropiirin lähdössä oleva jännite on sama kuin syöttöjännite (looginen taso yksi) tai yhteisen johtimen potentiaalin kanssa (looginen taso nolla). Kuormavirran kasvaessa loogisen yksikön jännite voi laskea 2,8V:iin (U p = 15V) syöttöjännitteestä. Viiden voltin virtalähteellä varustetun digitaalisen CMOS-mikropiirin (sarja mikropiirit K561) lähdön sallittu jännite on esitetty kuvassa 8.

Kuten aiemmin mainittiin, digitaalisen mikropiirin sisääntulon jännite on yleensä sallittu laajalla alueella lähtöön verrattuna. CMOS-mikropiireille sovittiin 30 %:n varastosta. Loogisen nolla- ja yksitasojen rajat viiden voltin virtalähteellä varustetuille CMOS-mikropiireille on esitetty kuvassa 9.

Kun syöttöjännite laskee, loogisen nollan ja loogisen yksikön rajat voidaan määrittää samalla tavalla (jaa syöttöjännite 3:lla).

CMOS-perheet

Ensimmäisissä CMOS-mikropiireissä ei ollut suojadiodeja sisääntulossa, joten niiden asentaminen aiheutti merkittäviä vaikeuksia. Tämä on K172-sarjan mikropiirien perhe. Seuraava parannettu CMOS-sirujen perhe, K176-sarja, sai nämä suojadiodit. Se on tällä hetkellä melko laajalle levinnyt. K1561-sarja viimeistelee ensimmäisen sukupolven CMOS-mikropiirien kehittämisen. Tässä perheessä saavutettiin nopeus 90 ns ja syöttöjännitealue 3 ... 15 V. Koska ulkomaiset laitteet ovat tällä hetkellä laajalle levinneitä, annan ulkomaisen analogin näistä CMOS-mikropiireistä - C4000V.

CMOS-mikropiirien jatkokehitys oli SN74HC-sarja. Näillä mikropiireillä ei ole kotimaista vastinetta. Niiden nopeus on 27 ns ja ne voivat toimia jännitealueella 2 ... 6 V. Ne sopivat pinout- ja toiminnallisissa sarjoissa, mutta eivät ole yhteensopivia niiden kanssa logiikkatasoilla, siksi SN74HCT-sarjan CMOS-mikropiirit ( kotimainen analogi - K1564) kehitettiin samanaikaisesti yhteensopivaksi TTL-mikropiirien ja logiikkatasojen kanssa.

Tällä kertaa hahmoteltiin siirtymistä kolmen voltin virtalähteeseen. Sitä varten kehitettiin SN74ALVC CMOS -mikropiirejä, joiden signaaliviive on 5,5 ns ja syöttöjännite 1,65 ... 3,6 V. Samat mikropiirit pystyvät toimimaan 2,5 voltin jännitteellä. Tässä tapauksessa signaalin viiveaika kasvaa 9 ns:iin.

Lupaavimpana CMOS-mikropiiriperheenä pidetään tällä hetkellä SN74AUC-perhettä, jonka signaaliviive on 1,9 ns ja virtalähdealue 0,8 ... 2,7 V.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) on tekniikka elektronisten piirien rakentamiseen. Yleisemmässä tapauksessa - CMDP (metalli-eriste-puolijohderakenteella). CMOS-piirien erottuva piirre kaksinapaisiin teknologioihin (TTL, ECL jne.) verrattuna on erittäin alhainen virrankulutus staattisessa tilassa (useimmissa tapauksissa voidaan olettaa, että energiaa kuluu vain tilanvaihdon aikana )

Suurin osa nykyaikaisista logiikkamikropiireistä, mukaan lukien prosessorit, käyttää CMOS-piirejä. CMOS-teknologia käyttää eristettyjä hilakenttätransistoreja, joiden kanavat ovat eri johtavia.

CMOS-mikropiireihin perustuvissa laitteissa TTL-mikropiireistä saadut kokemuksesta tunnetut toimenpiteet pomppimisen torjumiseksi ovat varsin soveltuvia, esimerkiksi staattisen liipaisimen kytkeminen päälle kahdessa NAND- tai NOR-elementissä. Kuitenkin CMOS-mikropiirien erittäin korkea tuloimpedanssi (satojen ja tuhansien megaohmien luokkaa) ja suhteellisen korkea lähtöimpedanssi (satoja ohmia - yksi kiloohmi) yksinkertaistavat pomppimisen vaimennuspiirejä poistamalla vastukset. Piirin muunnos on laite, joka on koottu vain yhdelle ei-invertoivalle logiikkaportille.

Tässä on sanottava muutama sana CMOS-sarjan ei-invertoivista logiikkaporteista. Suurin osa näiden sarjojen logiikkaporteista on käänteisiä. Kuten edellä mainittiin, mikropiirit, jotka sisältävät kirjaimia "PU" nimikkeessään, sopivat CMOS-mikropiireihin ja TTL-mikropiireihin. Tästä syystä niiden lähtövirrat, kun niiden lähtöihin syötetään syöttöjännite tai kun lähdöt kytketään laitteen yhteiseen johtoon piirien mukaan, voivat nousta useisiin kymmeniin milliampeereihin, mikä vaikuttaa negatiivisesti laitteiden luotettavuuteen ja voi toimivat voimakkaana häiriölähteenä. CMOS-mikropiirien suuri tuloimpedanssi mahdollistaa joissain tapauksissa ilman aktiivisia elementtejä pomppimisen vaimentamiseksi.

Lupaavimmat sarjat ovat komplementaarisiin MOS-transistoreihin (CMOS) perustuvat sarjat (K176, K564 jne.). Niissä ei ole kuormitusvastuksia, ja MOS-transistorit, joilla on erilainen kanavien sähkönjohtavuus, toimivat kytkiminä. Kun jännite porteissa on suurempi kuin kynnys, transistoreilla, joilla on tietyntyyppinen kanava, vastaava transistori avataan ja toinen lukittuu. Eri arvolla, joka on suurempi kuin kynnys transistoreille, joiden sähkönjohtavuus on päinvastainen, avoimet ja suljetut transistorit ovat käänteisiä. Tällaiset rakenteet toimivat onnistuneesti, kun teholähteen jännitettä vaihdellaan laajalla alueella (3 - 15 V), mikä on mahdotonta vastusta sisältäville logiikkaelementeille. Staattisessa tilassa, korkealla kuormitusvastuksella, CMOS-logiikkaportit eivät käytännössä kuluta virtaa.

Niille on myös tunnusomaista: tulosignaalitasojen stabiilius ja sen pieni ero teholähteen jännitteeseen; korkea tulo- ja matala lähtöimpedanssi; hyvä melunsieto; helppo sovittaa muiden sarjojen mikropiireihin.

CMOS:n loogiset elementit, jotka suorittavat 3 NAND-toiminnon. Se käyttää indusoituja kanavatransistoreja. Transistoreissa VT1-VT3 on -tyyppinen kanava ja ne ovat auki, kun hilajännite on lähellä nollaa. Transistorit ovat -tyyppisiä kanavaa ja ovat auki hilajännitteillä, jotka ovat suurempia kuin kynnysarvo.

Kun tulosignaali on nolla ainakin yhdessä logiikkaelementin sisääntuloista, yksi transistoreista on auki ja lähtöjännite on yhtä suuri kuin E. Ja vain jos kaikissa tuloissa on loogisen yksikön signaali (yleensä sama kuin E), kaikki transistorit VT1 ovat kiinni, mukana tulevat transistorit ovat auki. Lähtöjännite on yhtä suuri kuin yhteisen väylän potentiaali (looginen 0). Siten transistorien porrastetun kytkennän yhdistelmä kanaviin, joilla on yhden tyyppinen sähkönjohtavuus, ja transistorien rinnakkaiskytkentä erityyppisten sähkönjohtavuuden kanavien kanssa mahdollisti NAND-toiminnon toteuttamisen.

Jos taso- ja rinnakkain kytkettyjen transistorien ryhmät vaihdetaan, niin toimintoa suorittava elementti toteutuu. Se toimii samalla tavalla kuin edellinen. Transistorit ovat auki, kun niiden portit ovat logiikka 1, ja ne ovat lukittuina, kun tulosignaalit ovat loogisia 0.

Tarkastetuista piireistä voidaan nähdä, että staattisessa tilassa toinen sarjaan kytketyistä transistoreista on aina kiinni ja toinen on auki. Koska suljetulla transistorilla on suuri resistanssi, piirin virta määräytyy vain vuotovirtojen pienistä arvoista ja mikropiiri ei käytännössä kuluta sähköä.

LE:n tuloon asennettuna perusinvertterina käytetään yleensä piiriä. Oksidikalvon rikkoutumisen estämiseksi MOS-transistorien porttien alla vaihtosuuntaajapiiriä täydennetään yleensä diodeilla, jotka suorittavat suojatoimintoja. Näiden komponenttien aikavakio on noin 10 ns. Siksi niiden käyttöönotto ei muuta merkittävästi logiikkaelementtien dynaamisia ominaisuuksia. Kun tulopiiriin tulee yhden tai toisen napaisuuden staattisia jännitteitä, vastaavat diodit avautuvat ja oikosulkevat staattisen varauksen lähteen virransyöttöpiiriin. Vastus, joka yhdessä diodien sulkukapasitanssien kanssa muodostaa integrointipiirin, alentaa hilajännitteen nousunopeutta arvoon, jossa diodeilla VD2, VD3 on aikaa avautua.

Jos jännitelähteellä on pieni sisäinen resistanssi, diodin läpi kulkee suuri eteenpäinvirtaus. Siksi kytkettäessä laitteita, joissa on samanlaiset logiikkaelementit, syöttöjännite on syötettävä ennen tulosignaalia ja sammutettaessa päinvastoin. Tapauksissa, joissa nopeuden lievä lasku on hyväksyttävää, tulopiiriin voidaan sisällyttää vastukset rajoittamaan tulovirtaa tietylle tasolle.

Useissa mikropiireissä siirtofunktion jyrkkyyden lisäämiseksi ja kuormituskyvyn lisäämiseksi logiikkaelementin invertterin lähtöön on kytketty yksi tai kaksi lisäinvertteriä. Lisäinvertterin transistoreilla on lisätty teho. Niiden ansiosta invertterin avoimien lähtötransistorien kanavien resistanssi pienenee kOhmista kOhmiin. Nämä lähtöresistanssien arvot mahdollistavat sen, että lähtöpiireihin ei viedä virtaa rajoittavia vastuksia, jotka suojaavat oikosululta lähdössä.

CMOS:n loogisissa elementeissä on erittäin yksinkertaista toteuttaa elementtejä, joissa on kolme vakaata tilaa. Tätä varten sarjaan invertterin transistoreiden kanssa sisältyy kaksi komplementaarista transistoria, joita ohjataan käänteissignaaleilla. Jos transistorit ovat kiinni, kun signaaleja syötetään, niin invertterin lähtöimpedanssi on erittäin tärkeä (invertteri on kolmannessa korkeaimpedanssitilassa).

Kolmas tila esiintyy yksittäisissä mikropiireissä, esimerkiksi tyyppisissä logiikkaelementeissä, sekä CMOS-sarjan monimutkaisissa toiminnallisissa yksiköissä.

TTL-logiikkaporttien yhteensovittaminen CMOS-logiikkaporttien kanssa voidaan tehdä useilla tavoilla:

1) syöttää CMOS-logiikkaelementtejä pienillä jännitteillä, joilla TTL-logiikkaelementtien signaalit kytkevät CMOS-logiikkaelementtien transistoreita;

2) käyttää avoimen kollektorin TTL-logiikkaportteja, joiden lähtöpiirissä on lisäjännitelähteeseen kytketty vastus;

3) käyttää tasomuuntimien mikropiirejä koordinoitaessa CMOS-sarjaa TTL-sarjan kanssa ja koordinoitaessa TTL-sarjaa CMOS-sarjan kanssa).

Jos lähtötehoa on tarpeen lisätä, useiden mikropiirien rinnakkaiskytkentä on sallittu. Häiriöiden vaimentamiseksi tehoväylän välisessä virtapiirissä on mukana elektrolyyttikondensaattori, jonka kapasiteetti on ja sen rinnalla keraamisia kondensaattoreita, joiden kapasiteetti on koteloa kohti. Jälkimmäiset on kytketty suoraan mikropiirien lähtöihin. Kantavuus ei yleensä saa ylittää. Suuremmalla kuormakapasitanssin arvolla ylimääräinen vastus asennetaan sarjaan lähdön kanssa, mikä rajoittaa sen ylipurkauksen virtaa. Jos tulosignaalissa on jännitepiikkejä, sarjaan LE-tulon kanssa, voit kytkeä päälle rajoitusvastuksen, jonka nimellisarvo on enintään 10 kOhm. Käyttämättömät LE-tulot on kytkettävä virtalähteen väyliin tai rinnan kytkettyjen tulojen kanssa. Muuten dielektrinen hajoaminen portin alla ja toimintahäiriöt voimakkaasta häiriövaikutuksesta ovat mahdollisia.

Mikropiirien lähtöliittimien lyhytaikainen oikosulku on sallittu alhaisella syöttöjännitteellä.

Staattista sähköä tulee välttää varastoinnin ja asennuksen aikana. Siksi liittimet ovat varastoinnin aikana sähköisesti oikosulussa keskenään. Niiden asennus suoritetaan syöttöjännitteen ollessa pois päältä, ja on pakollista käyttää rannerenkaita, joiden avulla sähköasentajien runko on kytketty maahan.

CMOS-sarjan logiikkaelementtejä käytetään laajalti kustannustehokkaiden pienten ja keskinopeiden digitaalisten laitteiden rakentamisessa. Jatkossa valmistustekniikan kehittyessä ne voivat kilpailla TTL-logiikkaporttien kanssa nopeiden laitteiden luomisessa.

Tyypillisesti anturit ja kalibraattorit on suunniteltu lyhyillä pulssigeneraattoreilla, jotka tuottavat signaalin, jolla on laaja ja tasainen spektri. Tämän signaalin avulla voit nopeasti tarkistaa radiolaitteiden vaiheet, sekä matalataajuiset (LF) että korkeat taajuudet (HF). Lisäksi mitä lyhyempi pulssin kesto, sitä parempi - spektri on laajempi ja tasaisempi.

Tällaiset generaattorit koostuvat yleensä kahdesta pääyksiköstä: itse neliöaaltogeneraattorista ja lyhytpulssigeneraattorista. Samaan aikaan voit tehdä ilman erityistä muotoilijaa, koska se on jo saatavilla CMOS-rakenteen mikropiirin loogisessa elementissä.

Harkitse kaavaa

Kuva 4- RC-generaattori

Kuva 4 esittää hyvin tunnettua RC-generaattoria, joka toimii tässä tapauksessa noin 1000 Hz:n taajuudella (riippuu osien R1, C1 arvoista). Matalataajuinen suorakaiteen muotoinen signaali tulee elementin DD1.2 (nasta 4) lähdöstä ketjun R2C3 kautta muuttuvaan vastukseen R4 - ne säätelevät sujuvasti testattavaan solmuun syötettävän signaalin amplitudia.

Korkeataajuisen signaalin (lyhyet pulssit) lähtö tehdään hieman epätavallisella tavalla - signaali poistetaan mikropiirin tehopiiriin kytketystä muuttuvasta vastuksesta R3. Siirtämällä tämän vastuksen liukusäädintä ulostulon korkeataajuisen signaalin tasoa säädetään tasaisesti.

Tarkastellaan tällaisen muotoilijan toimintaperiaatetta CMOS-rakenteen loogisen elementin yksinkertaistetun kaavion mukaisesti, joka on esitetty kuvassa 5.

Kuvio 5 on yksinkertaistettu kaavio CMOS-rakenteen logiikkaelementistä

Sen perustana on kaksi sarjaan kytkettyä kenttätransistoria, joissa on eristetty hila ja erityyppinen kanavan johtavuus. Jos vastus R1 on kytketty sarjaan transistoreiden kanssa ja elementin sisäänmenoon syötetään suorakaiteen muotoisia pulsseja U1, tapahtuu seuraavaa (kuva 3). Johtuen siitä, että pulssirintaman kesto ei voi olla äärettömän pieni, ja myös transistorien inertiasta johtuen etuliikkeen hetkellä tulee hetki, jolloin molemmat transistorit ovat avoimessa tilassa. Niiden läpi kulkee ns. läpivirtaus, jonka arvo voi vaihdella yksiköistä kymmeniin milliampeeriin mikropiirin tyypistä ja virtalähteen jännitteestä riippuen. Lyhyet jännitepulssit U2 muodostuvat vastuksen yli. Lisäksi sekä rintaman toiminnan että taantuman aikaan.

Toisin sanoen alkuperäisten pulssien taajuus kaksinkertaistuu.

Vastuksen vastuksen ei tulisi olla suuri, jotta vältetään mikropiirin elementtien toimintatilan häiriintyminen. Tämä tarkoittaa, että korkeataajuiseen lähtöön voidaan kytkeä matalaimpedanssinen kuorma, jonka resistanssi on 50 ... 75 ohmia.

Tarkastelun generaattorin suurin pulssiamplitudi korkeataajuisella lähdöllä on 100 ... 150 mV, ja virtalähteestä kulutettu virta ei ylitä 1,6 mA. Generaattori on suunniteltu käytettäväksi äänivahvistimien, kolmen ohjelman kaiuttimien, radiovastaanottimien testaamiseen DV- ja SV-kaistoilla.

CMOS-rakenteet

Kenttätransistori on puolijohdelaite, jonka läpi virtaa päävarauksenkuljettajia poikittaisen sähkökentän säätelemänä, joka syntyy hilan ja nielun tai hilan ja lähteen väliin syötetyllä jännitteellä.

Koska kenttätransistorien toimintaperiaate perustuu samantyyppisten päävarauksenkuljettajien (elektronien tai reikien) liikkeeseen, tällaisia ​​laitteita kutsutaan myös unipolaariseksi, mikä vastustaa niitä bipolaarisiin.

Kenttätransistorit luokitellaan laitteiksi, joissa on ohjaus-pn-liitos ja eristetty hila, ns. MIS ("metal-dilectric-semiconductor") -transistoreiksi, joita kutsutaan myös nimellä MOS ("metalli-oksidi-puolijohde"). ) - transistorit, ja jälkimmäiset on jaettu transistoreihin, joissa on upotettu kanava, ja laitteisiin, joissa on indusoitu kanava.

Kenttätransistorien pääparametreja ovat: tulovastus, transistorin sisäinen resistanssi, jota kutsutaan myös ulostuloksi, nieluportin ominaisuuden kaltevuus, katkaisujännite ja jotkut muut.

Ohjaus-p-n-liitoksella varustettu kenttätransistori on kenttätransistori, jossa puolijohdelevyssä, esimerkiksi n-tyypissä, on vastakkaisissa päissä elektrodit (nyhjennys ja lähde), joilla se on kytketty ohjattuun piiriin. Ohjauspiiri on kytketty kolmanteen elektrodiin (porttiin) ja sen muodostaa alue, jolla on erityyppinen johtavuus, tässä tapauksessa p-tyyppi.

Tulopiiriin kuuluva teholähde luo käänteisen jännitteen yhteen p-n-liitokseen. Vahvistettujen värähtelyjen lähde sisältyy myös tulopiiriin. Kun syöttöjännite muuttuu, pn-liitoksen käänteinen jännite muuttuu, ja siksi tyhjennyskerroksen (n-kanavan) paksuus, eli sen alueen poikkileikkauspinta-ala, jonka läpi virtaus virtaa päävarauksenkuljettajat kulkevat. Tätä aluetta kutsutaan kanavaksi.

CMOS-rakenteen erottuva piirre muihin MOS-rakenteisiin (N-MOS, P-MOS) verrattuna on sekä n- että p-kanavaisten kenttätransistorien läsnäolo; Tämän seurauksena CMOS-piireillä on suurempi toimintanopeus ja pienempi virrankulutus, mutta niille on ominaista monimutkaisempi valmistusprosessi ja pienempi pakkaustiheys.