пробоя зависит от напряжения на затворе: его величина возрастает по мере того, как напряжение на затворе приобретает все большие по абсолютной величине отрицательные значения.

1.3. ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

Обычно сложная ИС со структурой металл -окисел - полупроводник состоит только из МОПтранзисто-ров и не содержит ни резисторов, ни конденсаторов, ни

о

:> Выход

а д

Рис. 1.7. Основные логические элементы: а-НЕ-ИЛИ; б - НЕ-И.

диодов. Основными конструктивными ячейками, из которых строятся МОП-схемы, являются логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, представленные на рис. 1.7. Такие элементы поодиночке и в комбинациях используются для построения схем, выполняющих заданные логические функции, а также триггеров и запоминающих схем, создания линий задержки в цепях синхронизации и вообще для выполнения всех функций цифрового управления.

Системы на МОП-структурах лучше всего реализовать при помощи логических вентилей НЕ-ИЛИ Одной из причин этого можно считать более эффективное ис-

со о

о

о

ё

о с

о

\<

к

о

ц

о

W а §

1 §1

о о

пользование площади подложки в случае вентилей НЕ-ИЛИ по сравнению с вентилями НЕ-И. На рис. 1.8 изображена комбинация элементов НЕ-И/НЕ-ИЛИ и дан топологический чертеж расположения компонентов. Поскольку транзисторы Тр1-ТрЗ соединены последовательно, усиление каждого из них должно быть в три раза выше, чем у транзистора Тр4 для того, чтобы во

num о

Рис. 1.9. Триггер с перекрестными связями, построенный из двух основных элементов НЕ-ИЛИ.

включенном состоянии общее сопротивление этих трех транзисторов было равно сопротивлению Тр4. Это приводит к увеличению в три раза площади, занимаемой одним транзистором.

Соединив логические элементы НЕ-ИЛИ так, как это показано на рис. 1.9, можно получить триггер с перекрестными связями. Резисторы в этих связях отсутствуют, так как в них нет необходимости ввиду чрезвычайно высоких входных сопротивлений транзисторов. Ускоряющие конденсаторы в этой схеме тоже не нужны. В качестве нагрузочных резисторов используются МОП-транзисторы с низким коэффициентом усиления. Таким путем можно получить весьма большие нагрузочные сопротивления, порядка 200 ком. Затворы нагрузочных транзисторов могут быть подсоединены либо к стокам.

либо к отдельным источникам питания. Уменьшение {Упит и подключение затворов нагрузочных транзисторов к отдельному источнику дает возможность снизить потребление мощности и увеличить быстродействие.

1.4. СКОРОСТЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Присущие МОП-схемам ограничения по скорости работы обусловлены исключительно наличием в схеме паразитной емкости и неспособностью МОП-транзисторов перезаряжать эту емкость. Собственные предельные частоты самих МОП-приборов имеют величину порядка 1 Ггц. В настоящее время, однако, редко можно встретить в продаже схем> на МОП-транзисторах, работающую на частотах выше 2 Мгц. (Исключение составляют четырехтактные схемы, которые способны работать на частотах, близких к 10 Мгц.) В то же время ИС на биполярных приборах часто имеют быстродействие на порядок выше, чем схемы на МОП-приборах. Основная причина такого различия заключается в том, что биполярный транзистор имеет более высокую крутизну gm, или коэффициент усиления, в пересчете на единицу пло-ихади, чем МОП-транзистор. Сравнение зависимости крутизны от тока для биполярного и МОП-транзисторов отчетливо свидетельствует о превосходстве биполярного прибора (рис. 1.10). При тех размерах, которые типичны для прибора, входящего в состав интегральной схемы, биполярный транзистор имеет gm в 10-500 раз более высокое, чем МОП-транзистор, причем конкретная величина зависит от тока через прибор. Коэффициент усиления МОП-транзистора можно повысить путем увеличения ширины канала, однако поскольку емкость, как и gm, является линейной функцией площади прибора, емкость также возрастает.

На рис. 1.11 представлена типичная форма выходного сигнала инвертора, выполненного на МОП-транзисторах. Время включения, определяемое управляющим транзистором, обычно намного меньше, чем время выключения, определяемое пассивным транзистором, служащим нагрузкой. На практике временем /вт можно пренебречь по сравнению с /выьл- Справедливость выражения

100

7, мка

1000

Рис. 1.10. Сравнение крутизны биполярных и МОП-транзисторов.

выклвкл объясняется двумя факторами. Во-первых, сопротивление нагрузочного прибора обычно раз в десять превышает сопротивление управляющего прибора. Это означает, что при одной и той же паразитной емкости постоянная времени нагрузочного транзистора в 10 раз больше постоянной времени управляющего транзистора. Во-вторых, в процессе переключения напряжение между затвором и истоком управляющего транзистора, которое определяет величину смешения, остается

о

J/, нагрузка

пар

Вкл

управляющий

Рис. 1.11. Принципиальная схема инвертора и типичные формы сигнала при переключении.

постоянным и равным - f/вх, в то время как у нагрузочного транзистора смещение на затворе модулируется выходным (истоковым) напряжением таким образом, что при увеличении выходного сигнала коэффициент усиления нагрузочного прибора уменьшается. Транзистор Тр1 можно представить как нелинейный резистор, сопротивление которого возрастает при увеличении напряжения на паразитной емкости Сдар. Оба эти фактора, вместе взятые, показывают, что постоянная времени заряда емкости, определяемая нагрузочным транзистором, и является той величиной, которая ограничивает возможности работы МОП-транзисторов областью низких частот. К счастью, можно принять целый ряд мер, которые снизят отрицательное влияние переходных процессов в нагрузочных МОП-приборах.