Основные логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Z

В основе_всех_цифровых микросхем КМОП находятся три логических элемента: И-НЕ, ИЛИ-НЕ и коммутационный ключ (КК). С помощью ККреализуются выходы с третьим состоянием очень большого выходного импеданса Z (практически разомкнуто). Полевые транзисторы можно соединять последовательно («столбиком»), поэтому элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ строятcя по разным схемам и в отличие от ТТЛ здесь не надо переименовывать логические уровни. Для КМОП принято, чтобы 1 отображалась высоким уровнем, а 0 - низким.

а - схема; б - эквивалентная схема управления; в - таблица электрических состояний схемы; г – диаграмма входных b выходных импульсов

Рис. 5.12 - Двухвходовой элемент И-НЕ

На рис. 5.12, а показана принципиальная схема двухвходового элемента И-НЕ. Это один канал из микросхемы К176ЛА7. На рис. 5.12, б эта схема изображена в виде эквивалента с подключенными управляющими переключателями S1 и S2. Здесь транзисторы VT1—VT4 заменены однополюсными тумблерами.

Если последовательно перебрать все комбинации напряжений высоких и низких уровней, поступающих на входы А и В от S1 и S2, и рассмотреть уровни на выходе Q, получим таблицу состояния схемы И-НЕ (рис. 5.12, в). Если от S1 и S2 на входы А и В подать напряжения высокого уровня (В), п-каналы транзисторов VT1 и VT2 будут замкнуты, а каналы VT3 и VT4 разомкнуты. На выходе Q окажется напряжение низкого уровня (Н). Если на вход А или В поступает хотя бы один низкий уровень, один из каналов VT3 или VT4 оказывается замкнутым и на выходе Q появляется напряжение высокого уровня. В результате вертикальная колонка данных на выходе Q (рис. 5.12, в) соответствует функции И-НЕ.

Если на входы А и В подать два положительных импульса (см. рис. 5.12, г) сигнал на выходе Q будет соответствовать площади их совпадения (но с инверсией!).

Таблица 5.5 - Микросхемы КМОП И-НЕ

В табл. 5.5 перечислены микросхемы КМОП с логикой И-НЕ, входящие в серии К176 и К561, а также указаны их зарубежные аналоги из серий CD4000A и CD4000B.

а - схема; б — эквивалентная схема управления; в — таблица электрических состояний; е — диаграмма входных и выходных импульсов

Рис. 5.13 - Двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ

Устройство базового элемента ИЛИ-НЕ (рис. 5.13, а) — это один канал микросхемы К176ЛЕ5, как бы обратное по сравнению с элементом И-НЕ, здесь параллельно соединены n-канальные и последовательно р-канальные транзисторы. На рис. 5.13, б дана эквивалентная схема, где транзисторы заменены ключами. Только совпадение низких входных уровней на входах А и В даст высокий уровень на выходе Q, так как в этот момент замыкаются оба верхних р-канальных транзистора VT1 и VT2. Присутствие хотя бы одного высокого уровня В на входах А, В означает замыкание одного из параллельных п-канальных транзисторов VT3, VT4.

Состояние выхода Q в зависимости от уровней, последовательно поступающих от переключателей S1 и S2, показаны на рис. 5.13, в. Этот столбик данных соответствует функции ИЛИ-НЕ. На рис. 5.13, г помещена осциллограмма отклика на выходе ИЛИ-НЕ. Здесь длительность (инвертированного!) сигнала на выходе Q соответствует времени обоих входных сигналов. Сводка микросхем ИЛИ-НЕ приведена в табл. 5.6.

Таблица 5.6 - Микросхемы КМОП ИЛИ-НЕ (ЛЕ) и инверторы (ЛН)

Чтобы построить логический элемент с тремя состояниями, последовательно с выходом инвертора надо добавить последовательный двухполярный полевой ключ коммутации КК.

На рис. 5.14, а за инвертором DD1 следует пара разнополярных полевых транзисторов VT1 и VT2. Показаны управляющие затворами потенциалы с противоположными фазами Ф1 и Ф2: р-канал VT2 замкнется при низком уровне импульса Ф2, п-канал — при высоком уровне Ф1. На период t₁ ключ коммутации КК разомкнут, поскольку на затворы VT1 и VT2 поданы закрывающие уровни. На время t₂ КК замыкается, так как сразу оба транзистора VT1 и VT2 получат открывающие сигналы Ф1 = В и Ф2 = Н.

Эквиваленты схемы (рис. 5.14, а) показаны на рис. 5.14, б, в. Здесь в дополнение к предыдущей схеме имеется инвертор DD1, формирующий две фазы сигнала управления Ф1 и Ф2= . Канал данных разомкнется в случае, показанном на рис. 5.14, б, когда от переключателя S1 подается напряжение низкого уровня. Выходная цепь схемы станет высокоомной, с очень большим сопротивлением Z. Сигналы от входа в выходной провод пройти не могут. Выходы после ключа коммутации КК можно непосредственно присоединять к общей шине данных. На схеме (рис. 5.14, в) показана фазировка управляющих сигналов, при которой КК замкнут и выход данным разрешается.

а — ключ коммутации; б — размыкание выхода (Z-состояние); в — разрешение выходу

Рис. 5.14. Элемент с третьим Z-состоянием

Используя инверторы с третьим состоянием Z, когда их выходы требуется соединить, важно, как и для микросхем ТТЛ, соблюдать правило: сигналы разрешения должны быть сформированы так, чтобы для соседних каналов они не перекрывались (по-другому, должен быть защитный интервал — пауза).