Логические элементы на дополняющих МДП-транзисторах

Начиная с середины 80-х годов прошлого столетия, прогресс в создании комплементарных МДП-схем (КМДП-схем) позволил значительно улучшить их характеристики такие как высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, совместимость с семейством TTL-ИМС.

КМДП-логика является одновременно наиболее подходящей и самой простой для создания логических схем.

В настоящее время КМДП-схемы (КМОП-схемы) составляют подавляющую часть мирового рынка ИМС. В большинстве новых СБИС типа микропроцессоров и блоков памяти использована КМДП-технология.

Основные свойства ЛЭ на дополняющих МДП-транзисторах (КМДП-ИМС), выгодно отличающие их от ИМС на МДП-транзисторах n-типа:

1.малая потребляемая мощность в статическом режиме (микроватты);

2.высокое быстродействие;

3.высокая помехоустойчивость за счет большого перепада уровней сигналов логических 1 (3. 5... 5.0 В) и 0 (0... 1.5 В);

4.новые логические возможности за счет взаимодополняющих структур;

5.высокая нагрузочная способность (n>20).

Логические КМДП-элементы отличаются тем, что для каждого логического входа необходимо применять транзистор n-типа и связанный с ним по затвору транзистор р-типа.

На основе КМДП могут быть построены элементы ИЛИ-НЕ положительной логики при параллельном включении транзисторов n-типа и последовательном включении транзисторов р-типа и элементы ИЛИ-НЕ отрицательной логики при параллельном включении транзисторов р-типа и последовательном включении транзисторов n-типа.

Для построения элемента ИЛИ-НЕ на m входов потребуется последовательное (ярусное) включение m транзисторов р-типа и параллельное включение m транзисторов n-типа (положительная логика). Обычно коэффициент объединения по входу m 4. Соответственно для выполнения элемента И-НЕ на m входов потребуется ярусное включение m транзисторов n-типа и параллельное включение m транзисторов р-типа (положительная логика).

На рис. 1 приведены двухвходовые элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ положительной логики на KMДП. Рассмотрим подробнее работу элемента ИЛИ-НЕ.

При поступлении на вход логической 1 (напряжение, близкое к +U) открывается транзистор n-типа, а связанный с ним по затвору транзистор р-типа запирается. На выходе формируется уровень логического 0, близкий к потенциалу общей шины.

Когда на входы и Х₂ поданы одинаковые уровни логического 0, то оба транзистора n-типа запираются и отпираются оба транзистора р-типа, что приводит к формированию на выходе уровня логической 1, близкою к +U. Так как в состоянии Y=0 открыт транзистор n-типа, а в состоянии Y=l открыты транзисторы р-типа, то перезаряд емкости нагрузки всегда осуществляется через открытый МДП-транзистор.

Сравнивая схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ следует отметить их различные характеристики. При одной и той же площади кремниевого кристалла, транзистор с каналом n-типа имеет меньшее сопротивление в «открытом» состоянии, чем транзистор с каналом р-типа. Поэтому у последовательно включенных k транзисторов с n-каналом сопротивление в «открытом» состоянии меньше, чем у k транзисторов с р-каналом. В результате быстродействие схемы И-НЕ с k входами обычно выше и предпочтительнее, чем у k-входовой схемы ИЛИ-НЕ, и поэтому схемы И-НЕ предпочтительнее.

КМДП-схемы с числом входов больше двух можно очевидным способом получить путем последовательно-параллельного расширения схем, представленных на рис.2. В принципе можно создавать КМДП-схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ с очень большим числом входов. Однако на практике сопротивление последовательно включенных «открытых» транзисторов обычно ограничивает коэффициент объединения по входу (число входов, которые может иметь вентиль в конкретном логическом семействе) у КМДП-схем числом 4 для вентилей ИЛИ-НЕ, и числом 6 для вентилей И-НЕ.

В КМДП-схемах при любой комбинации входных сигналов выход никогда не бывает соединен одновременно с шиной питания и с землей; в этом случае напряжение на выходе было бы где-то посередине между низким и высоким уровнями (между 0 и 1) и не соответствовало бы ни одному из логических уровней, а выходная цепь потребляла бы чрезмерно большую мощность из-за малого сопротивления между шиной питания и землей.

Поскольку в статическом состоянии транзисторы n- и р-типов не могут быть открыты одновременно, статическая мощность равна напряжению источника питания, умноженному на ток утечки закрытого прибора. Эта мощность составляет 0, 1 ... 1 мкВт/вентиль.

Динамическая мощность КМДП-БИС значительно больше, но это имеет место лишь при перезарядке паразитных емкостей нагрузки во время действия фронта импульса. Динамическая мощность ИМС может быть определена как:

где С_н – емкость нагрузки;

f_p – рабочая частота;

U – напряжение источника питания;

Для снижения динамической мощности необходимо уменьшать паразитные емкости затворов в составе БИС, то есть переходить на субмикронные размеры МДП-транзисторов.

Поскольку пороговое напряжение р-канального прибора U_op выше, чем у n-канального , напряжение питания должно быть выше U_op . В этом случае обеспечивается высокая помехоустойчивость ЛЭ и хорошее быстродействие.

Типовые значения мощности, потребляемой в динамическом режиме отдельными КМД-ИМС при различных частотах, находятся в пределах:

50. . .100 мкВт/вентиль при f_p =100 кГц;

200. . .400 мкВт/вентиль при f_p =400 кГц;

500... 1000 мкВт/вентиль при f_p =l МГц;

В составе БИС эти значения уменьшаются еще на один-два порядка.

Указанные значения мощности в 5…1О раз ниже, чем у вентилей, выполненных на основе МДП-транзисторов одной структуры.

Построение ЛЭ на основе КМДП отличается высокой гибкостью. Например, на четырех транзисторах р-типа и четырех транзисторах n-типа путем изменения схемы соединения могут быть получены девять видов элементов, выполняющих различные логические функции.

Наряду с технологическими трудностями сравнительно большое число компонентов на функцию создает дополнительные ограничения для создания КМДП-БИС по сравнению с МДП-БИС n-типа. Однако сверхмалая мощность КМДП-ИИС и высокое быстродействие обеспечили широкое применение ИМС сверхвысокой степени интеграции (БИС и СБИС) на комплементарных МДП-структурах.