ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КМОП

3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КМОП

Логические элементы (ЛЭ) на комплементарных ключах получаются соединением группы последовательно включенных транзисторов одного типа с группой параллельно включенных транзисторов другого типа. Причем число транзисторов в каждой группе равно числу входов схемы, рис.4,а,б.

ЛЭ, построенный по схеме рис.4,а, реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ. Если среди входных сигналов есть хотя бы один сигнал высокого уровня (логическая единица), то в группе последовательно соединенных транзисторов Tp найдется хотя бы один запертый транзистор, а в группе параллельно соединенных транзисторов Tn – хотя бы один проводящий. Состояние схемы соответствует схеме замещения рис.3,б, выходное напряжение равно нулю (логический нуль). Логическая единица для схемы рис.4,а, следовательно, является активным значением логической переменной.

При нулевом напряжении на всех входах (на всех входах логические нули) все n-канальные транзисторы заперты, а p-канальные – проводят, поэтому состояние схемы соответствует схеме замещения рис.3,а, выходное напряжение равно E_П(логическая единица). Логический нуль, следовательно, - пассивное значение логической переменной для схемы рис.4,а.

Таблица истинности, которая получается в результате проведенного анализа схемы, соответствует логической операции ИЛИ-НЕ.

Нетрудно убедиться, проведя анализ схемы рис.4,б аналогичным способом, что для нее активным значением логической переменной является логический нуль, а пассивным – логическая единица, следовательно, схема рис.4,б реализует логическую операцию И-НЕ.

Неиспользуемые входы в ЛЭ КМОП оставлять свободными (никуда не подключать) нельзя. Неиспользуемые входы либо объединяются с используемыми, либо на них подается напряжение, соответствующее пассивному сигналу (0 – для элементов ИЛИ-НЕ, Еп – для элементов И-НЕ).

4. ФОРМИРОВАТЕЛИ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

Формирователи импульсов выполняют преобразование входных импульсных сигналов с целью получения новых сигналов с определенными нормированными временными характеристиками. Такими устройством может быть, например, формирователь коротких импульсов заданной длительности, привязанных к каждому положительному (отрицательному, положительному и отрицательному) перепаду входного сигнала или устройство задержки входных импульсных сигналов на заданное время и т.п. Времязадающим элементом, определяющим длительность формируемых импульсов, может быть ЛЭ КМОП.

На рис.5 приведен пример схемы формирователя, в котором

для каждого положительного перепада сигнала X вырабатываются короткие импульсы Y и Y1. Анализ схемы показывает, что длительность выходных импульсов определяется задержкой, которую вносят логические элементы A4, A5, A6 для сигнала , поступающего на нижний вход логического элемента А2.

Если длительность выходных импульсов велика, количество элементов задержки может оказаться нерационально большим. В таком случае целесообразно использовать в качестве узла задержки в схеме рис.5 времязадающую RC-цепь интегрирующего типа. Схема формирователя импульсов в таком случае принимает вид рис.6. Инерционная цепь R1, C1 увеличивает длительность переходных процессов в цепи

задержки сигнала X и позволяет получить необходимую длительность выходных импульсов.

В качестве времязадающей цепи в формирователях импульсов используется также RC-цепь дифференцирующего типа. Пример такой схемы приведен на рис.7.

5. ПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ГОНОК В ЦИФРОВЫХ СХЕМАХ

Приведенная на рис.5 схема может рассматриваться как простейший пример, показывающий возникновение гонок (состязаний) в цифровых устройствах. Гонки возникают из-за неравенства задержек физических сигналов X и , поступающих на входы ЛЭ А2, вследствие чего перекрываются во времени их единичные значения. Выходной физический сигнал Y изменяется дважды: когда возникает перекрытие и когда оно заканчивается – формируется импульс. В идеальной схеме, когда задержка сигналов в ЛЭ отсутствует (), на выходе ЛЭ А2 – не изменяющийся высокий уровень напряжения, так как .

Анализ работы схемы, приведенной на рис.8 и в которой имеют место гонки, приводит к выводу о том, что временное рассогласование поступления сигналов на входы элемента A2 меньше, чем временное рассогласование сигналов на входах элемента А3. Следовательно, импульсы на выходах Y и Y1 отличаются по длительности и могут отличаться по амплитуде. Замена ЛЭ ИЛИ-НЕ в схеме рис.8 на элементы И-НЕ дает схему с такими же свойствами. Из-за разброса

параметров динамических характеристик ЛЭ КМОП параметры выходных импульсов могут изменяться в большом диапазоне значений. Поэтому риск сбоя в работе цифровых устройств из-за появления импульсов, не предусмотренных логикой их работы, носит вероятностный характер.