Общие сведения. Уже на ранних стадиях разработки МОП ИС стало ясно, что в цифровых схемах, выполненных на р- и n- канальных МОП транзисторах

Уже на ранних стадиях разработки МОП ИС стало ясно, что в цифровых схемах, выполненных на р- и n- канальных МОП транзисторах, включенных последовательно, можно получить очень малую «статическую» рассеиваемую мощность (мощность в установившемся режиме). Такие схемы называются комплементарными МОП-схемами или просто КМОП-схемами. Чтобы понять, почему в КМОП-схемах рассеиваемая мощность очень мала, рассмотрим основной функциональный блок цифровых схем и систем – инвертор. Инвертор представляет собой схему, выходной (двоичный) сигнал которой есть инверсия его входного сигнала. Соединяя инверторы надлежащим образом, можно строить логические схемы произвольной сложности. Поэтому мощность, потребляемая отдельной инверторной схемой, есть основной показатель общей мощности, которая потребуется для работы цифровой системы.

Электрическая схема и топология базового КМОП инвертора показаны на рис. 5.1,а и 5.1,б, а передаточная характеристика по напряжению – на рис. 5.1, в. Последняя представляет собой график зависимости выходного напряжения инверторной схемы от ее входного напряжения. В таком инверторе для МОП транзистора соединены последовательно (сток р-канального транзистора соединен со стоком n-канального), а их затворы соединены друг с другом. Чтобы объяснить работу этого инвертора, допустим, что его входное напряжение ниже порогового напряжения n-канального транзистора и вместе с тем имеет большую отрицательную величину относительно подложки р-канального МОП транзистора, достаточную для его включения.

Рисунок 5.1– а – схема КМОП инвертора, б – передаточная характеристика по напряжению для КМОП инвертора, в – топология КМОП инвертора с карманом р-типа.

В таком режиме р-канальный МОП транзистор образует проводящую цепь между выходом инвертора и источником питания Uc, а n-канальный транзистор выключен. Так как выходной электрод инвертора обычно соединен с входами других инверторных схем, которые не потребляют статического тока, его выходное напряжение (напряжение на стоке р-канального МОП транзистора) находится в своем «высоком» состоянии (равно U_ВХ ). Если теперь входное напряжение увеличивается, то р-канальный МОП транзистор выключается, а когда входное напряжение становится больше порогового напряжения n-канального прибора, его канал включается и выходное напряжение инвертора уменьшается до напряжения земли. Поэтому в статическом режиме работы тот или другой МОП транзистор инвертора всегда выключен и между источником питания и землей нет цепи для протекания постоянного тока (за исключением лишь токов утечки переходов). По этой причине почти вся мощность, рассеиваемая КМОП схемами, - это мощность, рассеиваемая при переключательных процессах.

Малое потребление мощности в статическом режиме – одно из существенных преимуществ КМОП схем перед цифровыми МОП ИС других типов. Другие их преимущества – крутая и четко определенная передаточная характеристика КМОП инверторов по напряжению (рис. 5.1,в), что облегчает построение цифровых схем и устройств, и высокая помехоустойчивость благодаря малому сопротивлению между выходом логического сигнала и шиной питания или земли. Эти преимущества КМОП схем были известны и понятны задолго до того, как удалось успешно решить значительно более сложные технологические проблемы производства КМОП ИС.