Логические элементы на дополняющих МДП-транзисторах.Особенности логических элементов, реализуемых в составе БИС» МИНСК, 2009 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 Сн – емкость нагрузки; fp – 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 Uop выше, чем у n-канального , напряжение питания должно быть выше Uop. 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 fp=100 кГц; 200 .400 мкВт/вентиль при fp=400 кГц; 500 1000 мкВт/вентиль при fp=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.
Неинвертирующие вентили В КМДП-логике и в большинстве других логических семейств простейшими являются схемы инверторов, а следом за ними идут элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Обычно невозможно создать неинвертирующий вентиль с меньшим числом транзисторов, чем в простом инверторе.
Неинвертирующий КМДП-буфер, а также логические схемы И и ИЛИ получаются в результате подключения инвертора к выходу соответствующего инвертирующего элемента.Реализованные таким образом неинвертирующий буфер и логический элемент И показаны на рис. 2, в и рис. 3, г соответственно. Комбинация схемы, приведенной на рис. 1,а с инвертором даст логический элемент ИЛИ. Логические элементы с вентильным и блокирующим КМДП- транзисторами ЛЭ этой разновидности построены с учетом положительных вентильных свойств МДП-транзисторов.
В каждом двуxвxoдoвoм ЛЭ с вентильным и блокирующим КМДП-транзисторами (КМДП с ВБ) имеется один собственно вентилирующий МДП-транзистор n-типа (или р-типа) и связанный с ним по затвору второй, блокирующий МДП-транзистор р-типа (n-типа). Объединенные затворы вентильного и блокирующего транзисторов (ВТ и БТ) во всех случаях являются одним из логических входов ЛЭ, сток ВТ — вторым логическим входом, а объединенные истоки ВТ и БТ — выходом ЛЭ. Роль ВТ может выполнять транзистор n- или р-типа, а БТ может быть подключен своим стоком либо к источнику питания, либо к общему проводу.
Во всех вариантах включения ВТ и БТ выполняется функция И с запретом (НЕ, И) с инверсией или без инверсии по выходу.На рис. 4 показаны четыре возможных варианта включения ВТ и БТ. В дальнейшем будем рассматривать логические схемы и устройства, работающие в положительной логике, так как ЛЭ отрицательной логики работают аналогично.
На рис. 4, а показана схема ЛЭ, выполняющего функцию НЕ, И-НЕ, где в качестве ВТ использован транзистор n-типа, а в качестве БТ – транзистор р-типа, подключаемый к источнику +U. В схеме ЛЭ, выполняющего функцию НЕ, И (рис. 4, б), в качестве ВТ использован транзистор р-типа, а в качестве БТ — транзистор n-типа, подключаемый к общей шине. Кратко проанализируем его работу.При сочетании сигналов =l, X2=1 будет открыт БТ и на выходе Y потенциал общей шины (Y=0). При сочетании сигналов =0, вновь открыт БТ и Y=0. При сочетании сигналов , X2=0 открыт уже ВТ, но гак как , то на выходе Y будет потенциал общей шины (Y=0). Лишь при сочетании сигналов , X2=0 вентильный транзистор р-типа будет открыт и передаст на выход Y сигнал (Y=1). (Работу схем в,г предлагается рассмотреть самостоятельно). Особенностью ЛЭ на КМДП с ВБ является то, что при закрытом ВТ выход элемента надежно подключается через открытый БТ либо к источнику питания U, либо к общей шине, что обеспечивает высокую помехоустойчивость рассматриваемых ИМС, как это имеет место у традиционных КМДП-ИМС. Большие функциональные возможности открываются при проектировании цифровых устройств при совместном применении ИМС на КМДП с ВБ, выполняющих функции НЕ, И и НЕ, И-НЕ с КМДП-ИМС, выполняющих функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. На рис. 5 приведена схема ЛЭ, выполняющего функцию 4И-НЕ, причем два входа этой схемы являются инверсными, что обеспечивается за счет подключения двух схем НЕ, И на КМДП с ВБ к традиционной двухвходовой схеме И-HE. Если вместо схемы И-НЕ применить двухвходовую схему ИЛИ-НЕ, то на тех же восьми дополняющих МДП-транзисторах будет реализована функция НЕ, И-ИЛИ-НЕ (рис. 2.26). Анализируя схемы на рис. 5 и 6, можно увидеть, что схемы на КМДП с ВБ реализуют все функции, присущие элементам T-TTL. Применяя сочетания схем НЕ, И и НЕ, И-НЕ на КМДП с ВБ, подключаемых к входам традиционных схем И-НЕ, ИЛИ-НЕ и И-ИЛИ-НЕ, можно получить новые виды реализуемых функций, которые позволяют построить экономичные схемы триггеров, сумматоров, дешифраторов и других цифровых устройств.
Особенности логических элементов, реализуемых в составе БИС Рассмотренные типовые схемы ЛЭ TTL T-TTL, ECL И Л-типов характеризуются универсальностью, так как предназначены для автономного применения в цифровых устройствах, при котором должно быть обеспечено высокое быстродействие передачи сигналов при хорошей помехоустойчивости и сравнительно высокой нагрузочной способности (типовые значения n=5…10). Однако использование этих элементов в составе кристалла БИС, где внутрисхемные связи имеют невысокую протяженность, сравнительно небольшую нагрузку и, следовательно, имеют низкую помехоустойчивость, позволяет упростить их конфигурацию и резко увеличить плотность упаковки ЛЭ в кристалле БИС. Упрощение схем ЛЭ позволяет значительно уменьшить число компонентов на реализацию вентилей И-НЕ, ИЛИ-НЕ, уменьшить потребляемую мощность и обеспечить качественный скачок при создании СБИС большой функциональной сложности.
Оценивая многообразие реализаций ЛЭ ИМС, необходимо выделить ряд наиболее приемлемых технологий БИС и СБИС, получивших наиболее широкое применение.
К таким технологиям относятся биполярные и маломощные TTL-микросхемы с диодами Шотки, инжекционные логические микросхемы (И Л), микросхемы эмиттерно-связанной логики (ECL) и в части МДП-технологии микросхемы на полевых транзисторах.
Сравнительные характеристики ЛЭ БИС для этих технологий приведены в табл.1, где отражены относительные величины важнейших параметров.
Таблица 1. Сравнительные характеристики типовых элементов биполярной и МДП-технологий.
Тип ИМС Относительная плотность упаковки* Удельная мощность мВт/вентиль Достижимая задержка на вентиль, нс TTL-Ш 6 6 1 И Л 10 2 2 ECL 1 20 0,3 n-МДП 10 3 3 КМДП 8 0,01 1 *) За единицу взята площадь размещения на кристалле ECL-вентиля.
Прогресс в отношении быстродействия и плотности ИС за последние десятилетия, отражает закон Мура, впервые сформулированный основателем фирмы Intel Гордоном Муром в 1965г. и состоящий в том, что число транзисторов, приходящихся на квадратный дюйм в ИС, каждый год удваивается.
В последние годы темп этого движения несколько замедлился: удвоение происходит теперь каждые 18 месяцев; но важно отметить, что одновременно с удвоением плотности также вдвое увеличивается быстродействие схем. То есть полупроводниковая техника развивается по экспоненциальному закону. Когда только появились ИС, в одном корпусе было порядка дюжины транзисторов.
Сегодня в результате экспоненциального роста плотности упаковки микропроцессоры преодолели отметку в 10 миллионов транзисторов на один кристалл. Эксперты утверждают, что менее чем через 10 лет это число достигнет 100 миллионов. ЛИТЕРАТУРА 1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования.М.: Мир, 2001 379 с. 2. Новиков Ю.В Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники.
Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003 440 с. 3. Пухальский Г.И Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006 885 с. 4. Преснухин Л.Н Воробьев Н.В Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк 2001 526 с. 5. Букреев И.Н Горячев В.И Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000 416 с. 6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк 2000 160 с.