ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ МОТ / КМОП: Базовые логические элементы. АНАЛИЗ АМПЛИТУДНО-ПЕРЕДАТОЧНЫХ (амплитудное ИЛИ СТАТИЧЕСКОЙ) ХАРАКТЕРИСТИКИ. Статические и динамические параметры.

В микросхемах n-МОП и р-МОП используются ключи на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах с p-каналом.
Рассмотрим базовый элемент логики п-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31). Он состоит из нагрузочного транзистора Т3 и двух управляю­щих транзисторов Т1и Т2. Если оба транзистора T1 и Т2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения и1 и и2 име­ют высокий уровень, то открывается один или оба тран­зистора Т1и Т2 и на входе устанавливается низкий уро­вень напряжения, т. е. реализуется функция

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они от­личаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализую­щий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32), Если входные напря­жения имеют низкие уровни (и1 и и2 меньше порогового напряжения «-МОП-транзистора Uзипорогn), то транзисто­ры Т1и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и вы­ходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных напряжения и1 и и2 имеют высокий уро­вень, превышающий Uзипорогn ,  то открывается один или оба транзистора Тх и Т2, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т3 и Т4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обо­их транзисторов Т3 и Т4, а следовательно, на выходе уста­навливается низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие проме­жутки времени, когда происходит его переключение.

При нулевом входном напряжении (Uвх = 0) канал  имеет  очень большое сопротивление и на выход ключа подается напряжение  питания через резистор  R.  Выходное  напряжение  логической  единицы (U1вых) равно напряжению питания +Е. При увеличении входного напряжения выше U' сопротивление канала постепенно уменьшается и на выход подается часть  напряженияисточника питания с делителя, образованного сопротивлением  канала и резистором R (участок А-В на рис. слева). Сопротивление канала не может уменьшится до нуля. При входном  напряжении  выше  U" сопротивление канала достигает минимальной величины и  дальнейшее увеличение входного напряжения не влияет на сопротивление канала.

При входном напряжении выше U"  выходное  напряжение  логического нуля (U0вых) определяется соотношением : U0вых = Е * Rк мин / (R + Rк мин). Где : Rк – минимальное сопротивление канала.

Величины U', U" и Rк мин - определяются технологическими параметрами: степень легирования канала, степень  шероховатости поверхности канала, геометрические размеры канала; а также напряжением питания электронного ключа.
На участке А-В, т.е. при входном  напряжении  от  U'  до  U" электронный ключ работает как аналоговый усилитель с  коэффициентом усиления Ku = Uвых / Uвх .

Переходная характеристика КМОП ключа приведена на рис. справа. При нулевом входном напряжении транзистор  с  n-каналом  VT1 закрыт (сопротивление канала очень велико), а транзистор с  р-каналом VT2 открыт (сопротивление канала – Rк мин ), т.к. к его  затвору относительно истока приложено напряжение  источника  питания.

Поэтому на выходе  ключа  напряжение  логической единицы :  U1вых = +Е. При увеличении  входного напряжения  выше  U'  (точка  А  на рис. справа) начинает уменьшаться сопротивление канала  транзистора VT1, а сопротивление канала VT2 - увеличивается. Выходное  напряжение постепенно уменьшается и в конце  участка  А-В  практически доходит до нуля (U0вых = 0) при полном закрывании транзистора VT2 и уменьшении сопротивления канала  транзистора  VT1  до  величины Rк мин  На участке А-В оба транзистора работают в активном  режиме усиления аналогового сигнала с коэффициентом усиления по напряжению: Ku = Uвых / Uвх .

При этом оба канала имеют конечное сопротивление и через два транзистора течет сквозной ток от источника питания.  С  увеличением входного напряжения выше U" канал транзистора VT2 закрывается и ток через КМОП ключ от источника питания не потребляется. Таким образом, при входном напряжении ниже U' а  также  выше U" ток через КМОП ключ от источника питания практически не течет. Статическая потребляемая мошность близка к нулю. Пороговое напряжение Uпор определяется как  точка  пересечения передаточной характеристики с биссектрисой первого  квадранта (точка С). Пороговое напряжение почти равно  половине напряжения источника питания. Участок с напряжением  U'- U" примерно равен 10..20% от напряжения источника питания, но имеет технологический разброс относительно середины напряжения источника питания.  Поэтому  входное напряжение низкого логического уровня U0вх должно быть менее  1/3 напряжения источника питания, а входное напряжение высокого логического уровня U1вх должно быть более 2/3 напряжения питания. Абсолютное значение напряжения источника  питания  +Е  может изменяться в широких пределах от 3 до 15 Вольт. Это позволяет питать КМОП логические схемы от нестабилизированного источника  питания, что значительно упрощает и удешевляет источник питания.
Характеристики рассмотренных элементов логики: