Базовые логические элементы

k-МДП
Элементы КМОП-логики можно рассматривать как обобщение
КМОП-инвертора. Общая закономерность построения таких элементов заключается в том, что параллельное соединение транзисторов с каналами p-типа сопровождается последовательным соединением транзисторов с каналами
n-типа и наоборот.
Схема КМОП-элемента, реализующего операцию 2И-НЕ, показана на рисунке.
Транзисторы VT1 и VT2 с
каналом p-типа соединены
параллельно,
а n-канальные транзисторы
VT3 и VT4 – последовательно.
Подложки и истоки VT1 и
VT2 соединены с положительным зажимом источника питания, поэтому
Uзи1 = U - Eвх1 , Uзи2 = U - Eвх2 .

k-МДП
Пусть на обоих входах действует напряжение низкого уровня:
Uвх1 =Uвх2 = 0 . Поскольку Uзи3 =Uвх1 = 0, Uзи4 = Uвх2 = 0, транзисторы VT3 и VT4 закрыты. При этом Uзи1 =Uзи2 = - E
и транзисторы VT1 и VT2 открыты.
Упрощенно цепь на рисунке выше можно представить эквивалентной схемой, показанной на рисунке а. Напряжения на открытых транзисторах VT1 и VT2
пренебрежимо малы, и выходное напряжение Uвых >> E .

k-МДП
Рассмотрим случай, когда Uвх1 = Uвх 2 = E . Теперь Uзи1 = Uзи2 = 0 и транзисторы VT1 и VT2 закрыты, а VT3 и VT4 – открыты. Логический элемент можно представить эквивалентной схемой, показанной на рисунке б выше. Выходное напряжение
Uвых ≈ 0 » . Таким образом, схема реализует таблицу истинности логического элемента 2И-НЕ.
Логический элемент имеет два входа. Каждый новый вход
требует включения двух дополнительных транзисторов:
p-канального в параллельную цепь
и n-канального в последовательную.
Это приводит к увеличению площади,
занимаемой логическим элементом
на кристалле. Увеличивается и
паразитная емкость, ограничивающая
быстродействие схемы. Поэтому число
входов у элементов КМОП-логики, как
правило, не превышает четырех.
КМОП-элемент, реализующий операцию
2ИЛИ-НЕ, показан на рисунке. Здесь
p-канальные транзисторы включены
последовательно, а
n-канальные – параллельно.

k-МДП
КМОП-элементы ИЛИ-НЕ занимают на кристалле значительно большую площадь, чем элементы И-НЕ. Это объясняется тем, что последовательно соединенные p-канальные транзисторы должны иметь большую ширину канала, чем при параллельном соединении. Действительно, два последовательно соединенных p-канальных транзистора можно рассматривать как один с каналом длиной 2L. Для согласования с n-канальными транзисторами они должны иметь канал шириной: 2Wp = 2Wn μn / μp.
Поэтому в схемах высокой степени интеграции для экономии площади кристалла целесообразно использовать элементы
И-НЕ.
В настоящее время КМОП-технологии являются доминирующими при производстве цифровых интегральных схем и практически вытеснили логику на основе биполярных транзисторов. КМОП-логика используется в цифровых интегральных схемах как малой (1–10 логических элементов на кристалле) и средней (10–100 ЛЭ), так и большой степени интеграции. Это обусловлено следующими причинами.

k-МДП
1. Логические элементы, изготовленные по КМОП-технологии, потребляют значительно меньшую мощность, чем логические элементы на основе биполярных транзисторов как в статическом, так и в динамическом режимах. Потребление мощности КМОП-элементами обусловлено в основном перезарядом паразитных емкостей при переключении элемента из одного логического состояния в другое.
2. Поскольку входы схем являются изолированными затворами МОП-транзисторов, то входные токи очень малы. Поэтому коэффициент разветвления по выходу очень высок. Высокое входное сопротивление МОП-транзисторов позволяет использовать накопленный заряд для хранения входной информации. Это свойство широко используется в микросхемах памяти.
3. МОП-транзистор занимает на кристалле значительно меньшую площадь, чем биполярный. Современные технологии производства СБИС позволяют создавать МОП-транзисторы с длиной канала 0.06 мкм. Уменьшение геометрических размеров, а также малое потребление мощности дают возможность изготавливать СБИС, которые содержат десятки миллионов МОП-транзисторов.