Вентиль транзистора – Транзисторный вентиль – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Логический вентиль Фиг. 1 содержит эмиттерные повторители в количестве Р на биполярных транзисторах 1-1-1-P n-p-n структуры и N эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах 2-1-2-N p-n-p структуры, эмиттеры транзисторов 1-1-1-Р и 2-1-2-N соединены с выходом логического вентиля, Р пар КМОП-ключей, состоящих из МОП-ключей 3-1-3-Р р типа проводимости и МОП-ключей 4-1-4-Р n типа проводимости, стоковые узлы которых попарно соединены и соответственно подключены к базовым выводам n-p-n транзисторов 1-1-1-Р, N пар КМОП-ключей, состоящих из МОП-ключей 5-1-5-N p типа проводимости и МОП-ключей 6-1-6-N n типа проводимости, стоковые узлы которых попарно соединены и соответственно подключены к базовым выводам p-n-p транзисторов 2-1-2-N. Коллекторы n-p-n транзисторов 1-1-1-Р, истоковые узлы p-МОП-ключей 3-1-3-Р и 5-1-5-N подключены к шине +U_П положительного полюса напряжения питания. Коллекторы p-n-p транзисторов 2-1-2-N, истоковые узлы n-МОП-ключей 4-1-4-Р и 6-1-6-N подключены к шине -U_П отрицательного полюса напряжения питания.

Работа устройства основана на попеременном подключении при помощи КМОП-ключей 3-1-3-Р, 4-1-4-Р и 5-1-5-N, 6-1-6-N базовых выводов одного и более n-p-n транзисторов 1-1-1-Р к шине +U_П или базовых выводов одного и более n-p-n транзисторов 2-1-2-N к шине -U_П для формирования на выходе соответственно напряжения высокого или низкого логического уровня. Во всех определенных состояниях логического вентиля исключено одновременное наличие высокого уровня напряжения на базах n-p-n транзисторов 1-1-1-Р и низкого уровня напряжения на базах p-n-р транзисторов 2-1-2-N.

Объединенные по выходам эмиттерные повторители на транзисторах 1-1-1-Р выполняют дизъюнкцию логических сигналов, поступающих на их базы, поэтому логические уровни напряжений на стоковых узлах пар КМОП-ключей 3-1-3-Р и 4-1-4-Р определяют функции F₁(X), F₂(X), … ,F_P(X), дизъюнкция которых декомпозирует общую функцию устройства. Для этого проводимости р-МОП-ключей 3-1-3-Р соответствуют этим функциям, а проводимости n-МОП-ключей 4-1-4-Р – их инверсиям F¯1(X) , F¯2(X) , … ,F¯P .

Транзисторы 2-1-2-N формируют нулевые состояния функции F(X), для чего управляющие ими пары КМОП-ключей 5-1-5-N и 6-1-6-N выполняют группу функций G₁(X), G₂(X), … ,G_N(X), конъюнкция которых тождественна функции устройства. Проводимости р-МОП-ключей 5-1-5-N соответствуют функциям G₁(X), G₂(X), … ,G_N(X), а проводимости n-МОП-ключей 6-1-6-N – их инверсиям G¯1(X) , G¯2(X) , … ,G¯N(X) .

Таким образом, цепи р-МОП-транзисторов, содержащиеся в ключах 3-1-3Р, представляют собой отдельные параллельные цепи эквивалентного единого р-МОП-ключа, а n-МОП-транзисторные цепи ключей 6-1-6-N соответствуют отдельным параллельным цепям эквивалентного единого n-МОП-ключа. Математическую взаимосвязь функций проводимости КМОП-ключей 3-1-3-Р, 4-1-4-Р, 5-1-5-N, 6-1-6-N отражают следующие логические формулы:

Логический вентиль может принимать состояние ′′Выключено′′, если для него предусмотрены состояния, в которых на всех базах n-p-n транзисторов 1-1-1-Р соответствующие КМОП-ключи 3-1-3-Р и 4-1-4-Р формируют напряжения низкого уровня, а КМОП-ключи 5-1-5-N и 6-1-6-N создают высокое напряжение на базах всех p-n-р транзисторов 4-1-4-N.

Рассмотрим пример реализации логического вентиля с функцией мажоритарного инвертора 2 из 3, которая принимает значения логической единицы в случаях, когда не менее двух из трех ее аргументов равны логическому нулю, или значения логического нуля, если не менее двух ее аргументов равны логической единице. Логическую единицу и логический нуль соответственно представляют напряжения высокого и низкого уровней.

На чертеже Фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема, содержащая по одной паре КМОП-ключей и эмиттерных повторителей.

Мажоритарный инвертор содержит с первого по шестой МОП-транзисторы 7-12 с каналом p типа проводимости и с первого по шестой МОП-транзисторы 13-18 с каналом n типа проводимости, составляющие p- и n-МОП-ключи. Затворы p-МОП-транзисторов 7-12 и n-МОП-транзисторов 13-18 с первых по шестые соответственно попарно соединены и подключены к первому А, второму В, первому А, третьему С, второму В, третьему С входам устройства. Стоки первых МОП-транзисторов 7 и 13 соединены с истоками вторых МОП-транзисторов 8 и 14 соответствующих типов. Стоки третьих МОП-транзисторов 11 и 17 соединены с истоками четвертых МОП-транзисторов 10 и 16 соответствующих типов. Стоки пятых МОП-транзисторов 11 и 17 соединены с истоками шестых МОП-транзисторов 12 и 18 совпадающих типов. Истоки первых, третьих и пятых МОП-транзисторов р- и n типов 7, 9, 11 и 13, 15, 17 соответственно подключены к шинам +U_П и -U_П положительного и отрицательного полюсов напряжения питания. Стоки вторых, четвертых и шестых МОП-транзисторов 8, 10, 12 и 14, 16, 18 подключены к базам образующих выходные эмиттерные повторители n-p-n транзистора 1 и p-n-р транзистора 2, коллекторы которых соответственно подключены к шинам +U_П и -U_П, а эмиттеры являются выходом устройства.

МОП-транзисторы 7-18 образуют цепи между базами транзисторов 1 и 2 и шинами +U_П и -U_П, содержащие по два последовательно соединенных транзистора, подключения затворов которых к трем входам А, В, С устройства составляют все три возможных комбинации по два из трех: А, В – р-МОП-транзисторы 7, 8 и n-МОП-13, 14;

A, С – p-МОП-транзисторы 9, 10 и n-МОП-15, 16;

B, С – p-МОП-транзисторы 11, 12 и n-МОП-17, 18.

Двухтранзисторные последовательные цепи образуют сквозные p-каналы при наличие не менее двух логических нулей среди поступающих на входы А, В, С устройства сигналов или n-каналы, когда среди трех входных сигналов А, В, С более одной логической единицы. Это обеспечивает формирование на выходе логического уровня, противоположного преобладающему на входах А, В, С.

Многоключевое решение мажоритарного инвертора 2 из 3 представляет принципиальная схема на чертеже Фиг. 3, она содержит шесть эмиттерных повторителей на n-p-n транзисторах 1-1, 1-2, 1-3 и p-n-р транзисторах 2-1, 2-2, 2-3 и шесть пар КМОП-ключей.

Первая пара КМОП-ключей состоит из первого, второго р-МОП-транзисторов 19, 20 и первого, второго n-МОП-транзисторов 21, 22. Сток транзистора 19 подключен к истоку транзистора 20, сток которого вместе со стоками транзисторов 21, 22 соединены с базой n-p-n транзистора 1-1.

Вторая пара КМОП-ключей состоит из третьего, четвертого n-МОП-транзисторов 23, 24 и третьего, четвертого p-МОП-транзисторов 25, 26. Сток транзистора 23 подключен к истоку транзистора 24, сток которого вместе со стоками транзисторов 25, 26 соединены с базой p-n-р транзистора 2-1.

Третья пара КМОП-ключей состоит из пятого, шестого p-МОП-транзисторов 27, 28 и пятого, шестого n-МОП-транзисторов 29, 30. Сток транзистора 27 подключен к истоку транзистора 28, сток которого вместе со стоками транзисторов 29, 30 соединены с базой n-p-n транзистора 1-2.

Четвертая пара КМОП-ключей состоит из седьмого, восьмого n-МОП-транзисторов 31, 32 и седьмого, восьмого p-МОП-транзисторов 33, 34. Сток транзистора 31 подключен к истоку транзистора 32, сток которого вместе со стоками транзисторов 33, 34 соединены с базой p-n-р транзистора 2-2.

Пятая пара КМОП-ключей состоит из восьмого, девятого р-МОП-транзисторов 35, 36 и восьмого, девятого n-МОП-транзисторов 37, 38. Сток транзистора 35 подключен к истоку транзистора 36, сток которого вместе со стоками транзисторов 37, 38 соединены с базой n-p-n транзистора 1-3.

Шестая пара КМОП-ключей состоит из десятого, одиннадцатого n-МОП-транзисторов 39, 40 и десятого, одиннадцатого p-МОП-транзисторов 41, 42. Сток транзистора 39 подключен к истоку транзистора 40, сток которого вместе со стоками транзисторов 41, 42 соединены с базой p-n-р транзистора 2-3.

Истоки p-МОП-транзисторов 19, 25, 26, 27, 33, 33, 34, 41, 42 и коллекторы n-p-n транзисторов 1-1, 1-2, 1-3 соединены с шиной +U_П положительного полюса напряжения питания, а истоки n-МОП-транзисторов 21, 22, 23, 29, 30, 31, 37, 38, 39 и коллекторы p-n-р транзисторов 2-1, 2-2, 2-3 соединены с шиной -U_П отрицательного полюса напряжения питания. Затворы транзисторов 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33 соединены с первым входом А устройства, затворы транзисторов 20, 22, 24, 26, 35, 37, 39, 41 соединены со вторым входом В устройства, а затворы транзисторов 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 соединены с третьим входом С устройства.

Каждая из P-канальных цепей, содержащих пары p-МОП-транзисторов 19 и 20, 27 и 28, 35 и 36 эквивалентна одной из параллельных цепей из пар p-МОП-транзисторов 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 соответственно в двухключевой схеме (фиг. 2). Комплементарные им n-канальные цепи на транзисторах 21 и 22, 29 и 30, 37 и 38 имеют соответствующие инверсные проводимости.

N-канальные цепи на парах n-МОП-транзисторов 23 и 24, 31 и 32, 39 и 40 соответственно эквивалентны параллельным цепям из пар n-МОП-транзисторов 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18 в схеме на чертеже фиг. 2. Проводимости комплементарных им цепей из р-МОП-транзисторов 21 и 22, 29 и 30, 37 и 38 соответственно инверсны.

Первая, третья и пятая пары КМОП-ключей, управляющие n-p-n транзисторами, формируют напряжения высокого уровня в случаях одновременного наличия логических нулей на парах входов А и В, А и С, В и С, что соответствует логическим выражениям A¯B¯ , A¯C¯ , B¯C¯ , а вторая, четвертая и шестая пары КМОП-ключей, управляющие p-n-p транзисторами, создают низкие уровни в случаях логических единиц на тех же парах входов, в соответствии с выражениями AB¯ , AC¯ , BC¯ .

Объединение эмиттеров транзисторов 1-1, 1-2, 1-3 и 2-1, 2-2, 2-3 в узле выхода выполняет дизъюнкцию сигналов со стоковых узлов первой, третьей и пятой пар КМОП-ключей, то есть A¯B¯+A¯C¯+B¯C¯ , и конъюнкцию сигналов со стоковых узлов второй, четвертой и шестой пар – (A¯+B¯)(A¯+C¯)(B¯+C¯) , эквивалентную выражению A¯B¯+A¯C¯+B¯C¯ в силу ее самодвойственности.

Преимущество многоключевого решения мажоритарного инвертора 2 из 3 в быстродействии достигается уменьшением паразитных емкостей в узлах баз его биполярных транзисторов, определяемых количеством объединяемых в них транзисторных выводов, что позволяет ускорить процессы изменения напряжений в них при переключениях выходных состояний. В схеме фиг. 3 эта емкость снижена примерно в двое, так как ее создают три стоковых и один базовый выводы, в то время как в схеме фиг. 2 она складывается из паразитных емкостей шести стоков и двух баз.

Многоключевое решение логического вентиля на комплементарных МОП и биполярных транзисторах тем эффективнее, чем больше параллельных цепей можно выделить в отдельные КМОП-ключи.

Логический вентиль, содержащий МОП-ключи p и n типов проводимости, истоковые выводы которых соответственно подключены к шинам положительного и отрицательного полюсов напряжения питания, эмиттерные повторители на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p структур, коллекторы которых соответственно подключены к шинам положительного и отрицательного полюсов напряжения питания, а эмиттеры соединены с выходом логического вентиля, отличающийся тем, что МОП-ключи p и n типов проводимости составляют более двух комплементарных пар, в каждой из которых стоковые выводы МОП-ключей соединены и подключены к базе биполярного транзистора соответствующего эмиттерного повторителя.

www.findpatent.ru

транзисторы

Транзисторы

В электронике, транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, который обычно используется для усиления или переключения электронных сигналов. Транзистор состоит из цельного куска некоторых полупроводниковых материалов с, как минимум, тремя клеммами для подключения к внешней цепи. Напряжение или ток, приложенные к одной паре выводов транзистора, изменяют ток, протекающий через другую пару выводов. Потому что контролируемая (выходная) мощность может быть гораздо больше, чем контрольная (входная) мощность, транзисторы обеспечивают усиление сигнала.

Транзистор является фундаментальным строительным блоком современных электронных устройств, а также он используется в радио, телефонах, компьютерах и других электронных системах. Некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но большинство из них находятся в интегральных схемах.

Первый патент на принцип полевого транзистора был подан в Канаде одним австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не публиковал научные статьи о своих устройств. В 1934 году один немецкий физик, доктор Оскар Хейл запатентовал другой полевой транзистор.

17 ноября 1947 года, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, в AT&TBellLabs, отметили, что, когда электрические контакты были приложены к кристаллу германия, выходная мощность была больше, чем вход ВиЮйам Шокли увидел потенциал в этом, и он работал в течение следующих нескольких месяцев над значительным расширением знаний о полупроводниках. Он, по мнению многих, был “отцом” транзистора. Термин – «транзистор» был придуман Джоном Р. Пирсом.

Транзистор, по мнению многих, являются величайшим изобретением ХХ века, или одним из величайших. Это ключевой активный компонент практически во всей современной электронике. Важность транзистора в современном обществе основывается способности его массового производства с использованием высоко автоматизированного процесса, который обеспечивает удивительно низкую цену.

Хотя есть несколько компаний, каждая из которых производит более миллиарда индивидуально упакованных (известных как дискретные) транзисторов каждый год, большое количество транзисторов изготавливаются в интегральных схемах (часто сокращается до ИС, микрочипы или просто чипы) для получения полных электронных схем. Логический вентиль состоит из около двадцати транзисторов в то время как передовые микропроцессоры, начиная с 2006 года, могут использовать до 1,7 млрд транзисторов.

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзисторов, все эти факторы в совокупности сделали их повсеместными устройствами. Транзисторные мехатронные схемы заменили электромеханические устройства для контроля приборов и оборудования. Часто проще и дешевле использовать стандартные микроконтроллеры и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем для разрабатывать эквивалентную механическую функцию контроля.

Использование

Биполярный плоскостной транзистор, или БПТ, был первым изобретенным транзистором, и на протяжении 1970-х годов, был наиболее часто используемым транзистором. Даже после того, МОП-транзисторы стали доступны, БПТ выбирался для многих аналоговых схем, таких как простые усилители в силу их большей линейности и простоты изготовления. Желательные свойства транзисторов, такие, как их полезность в маломощных устройствах позволило им захватить почти все доли рынка для цифровых схем, в последнее время, МОП-транзисторы захватили большинство аналоговых и силовых цепей, включая современные тактовые аналоговые схемы, регуляторы напряжения, усилители, передатчики мощности, драйвера моторов и т.д.

Как транзистор работает

Существенная польза транзистора происходит от его способности использовать небольшой сигнал, подаваемый между одной парой своих выводов, чтобы контролировать гораздо больший сигнал на другой паре выводов. Это свойство называется коэффициентом усиления. Транзистор может контролировать его выходной сигнал в пропорции к входному сигналу, то есть, он может выступать в качестве усилителя. Транзистор также может быть использован для включения или выключения тока в цепи, как электрически управляемый коммутатор, где величина тока определяется другими элементами схемы.

Два типа транзисторов имеют незначительные различия в том, как они используются в схеме. Биполярный плоскостной транзистор имеет выводы (названные базовыми), коллектор и эмиттер. Малый ток на базовом выводе может контролировать или переключать гораздо больший ток между коллектором и эмиттером. Для полевого транзистора, выводы названы вентилем, источником и стоком, и напряжение у вентиля может контролировать ток между источником и стоком.

Транзистор как переключатель

Транзисторы обычно используются в качестве электронных переключателей, как для высокомощных устройств, включая импульсные блоки питания, так и для и маломощных устройств, таких как логические вентили. Транзисторы действуют как переключатель, и этот тип операций является общим во всех цифровых схемах, где только “вкл” и “выкл” положения актуальны.

Транзистор как усилитель

Усилитель с общим эмиттером устроен так, что небольшие изменения в напряжении изменяют ток, текущий через базу транзистора и транзисторное усиления тока в сочетании со свойствами схемы означает, что небольшие колебания во входном напряжении производят большие изменения в выходном напряжении.

От мобильных телефонов до телевизоров, большое количество продукция включает в себя усилители для воспроизведения звука, радио передачи и обработки сигналов. Первые аудио усилители с дискретными транзисторами едва предлагали несколько сотен милливатт, но мощность и качество звука постепенно увеличивается, так как стали доступны лучшие транзисторы и архитектура усилителя развивалась. Современные транзисторные аудио усилители на несколько сотен ватт и являются общедоступными и относительно недорогими.

Некоторые производители музыкальных усилителей совмещают транзисторы и электронные лампы (вакуумные лампы) в одной и той же схеме, т.к. они уверены, что лампы имеют характерный звук.

studfiles.net

ЛОГИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ

Изобретение относится к электронике и предназначено для использования в интегральных логических устройствах на комплементарных униполярных полевых транзисторах структуры металл-окисел-полупроводник (МОП) с индуцированными каналами p и n типов проводимости и биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p структур.

Известны логические вентили, выполненные на комплементарных МОП-транзисторах, см., например, Горюнов Е.П. Элементы и узлы ЭЦВМ. Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1976 [1], с. 176, рис. 9.22. Р- и n-МОП-транзисторы в таких вентилях составляют ключи, попеременно подключающие выход вентиля к шинам положительного и отрицательного полюсов напряжения питания, формируя, таким образом, выходные уровни логических единицы и нуля. Недостатком таких устройств является низкая нагрузочная способность из-за низкой проводимости каналов МОП-транзисторов.

Повысить нагрузочную способность логического вентиля на комплементарных МОП-транзисторах позволяет дополнение его биполярными транзисторами n-p-n и p-n-p структур, образующими выходные эмиттерные повторители, см. [1], с. 224, рис. 11.2. Данное решение по технической сущности и достигаемому положительному эффекту наиболее близко к изобретению.

Наиболее близкий аналог содержит МОП-ключ p типа проводимости и биполярный транзистор n-p-n структуры, истоковый вывод и коллектор которых соединены с шиной положительного полюса напряжения питания, а также n-МОП-ключ и биполярный p-n-p транзистор, истоком и коллектором подключенные к шине отрицательного полюса напряжения питания. Базы биполярных транзисторов соединены и подключены к стоковым выводам МОП-ключей, а эмиттеры соединены и являются выходом логического вентиля.

Устройство работает следующим образом.

При формировании логической единицы на выходе логического вентиля в p-МОП-ключе открывается канал, соединяющий базы биполярных транзисторов с шиной положительного полюса напряжения питания. В это время в n-МОП-ключе канала нет. Вследствие этого на базы биполярных транзисторов выходных эмиттерных повторителей поступает потенциал положительного полюса источника питания.

Нулевое состояние логического вентиля возникает при наличии канала в n-МОП-ключе и отсутствии его в p-МОП-ключе, когда базовый узел выходных биполярных транзисторов подключен к шине отрицательного полюса напряжения питания.

Высокая нагрузочная способность устройства достигается благодаря способности эмиттерных повторителей многократно усиливать передаваемый на выход ток МОП-ключей. Быстродействие логического вентиля, таким образом, в большей степени определяет не скорость перезаряда емкости нагрузки, а задержка переключения напряжения базового узла. Емкость этого узла в основном складывается из емкостей объединяемых в нем стоков транзисторов МОП-ключей, количество которых возрастает при усложнении реализуемой вентилем логической функции.

Это является недостатком устройства-аналога, ограничивающим его функциональные возможности при необходимости получения высокого быстродействия.

Задачей изобретения является достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей устройства без снижения быстродействия.

Технический результат достигается для логического вентиля, содержащего МОП-ключи p и n типов проводимости, истоковые выводы которых соответственно подключены к шинам положительного и отрицательного полюсов напряжения питания, эмиттерные повторители на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p структур, коллекторы которых соответственно подключены к шинам положиттельного и отрицательного полюсов напряжения питания, а эмиттеры соединены с выходом логического вентиля, отличающегося тем, что МОП-ключи p и n типов проводимости составляют более двух комплементарных пар, в каждой из которых стоковые выводы МОП-ключей соединены и подключены к базе биполярного транзистора соответствующего эмиттерного повторителя.

Указанное выполнение логического элемента позволяет снизить паразитные емкости базовых узлов выходных эмиттерных повторителей за счет уменьшения количества объединяемых в них стоков МОП-транзисторов.

Отличительным признаком изобретения является то, что в составе устройства содержится более двух пар комплементарных МОП-ключей и более двух эмиттерных повторителей.

Изобретение поясняется чертежами Фиг. 1-3, на которых изображены структурная схема логического вентиля и принципиальные электрические схемы мажоритарного инвертора 2 из 3, рассматриваемого в качестве примера реализации устройства, в решениях с одной и шестью парами КМОП-ключей.

Логический вентиль Фиг. 1 содержит эмиттерные повторители в количестве Р на биполярных транзисторах 1-1-1-P n-p-n структуры и N эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах 2-1-2-N p-n-p структуры, эмиттеры транзисторов 1-1-1-Р и 2-1-2-N соединены с выходом логического вентиля, Р пар КМОП-ключей, состоящих из МОП-ключей 3-1-3-Р р типа проводимости и МОП-ключей 4-1-4-Р n типа проводимости, стоковые узлы которых попарно соединены и соответственно подключены к базовым выводам n-p-n транзисторов 1-1-1-Р, N пар КМОП-ключей, состоящих из МОП-ключей 5-1-5-N p типа проводимости и МОП-ключей 6-1-6-N n типа проводимости, стоковые узлы которых попарно соединены и соответственно подключены к базовым выводам p-n-p транзисторов 2-1-2-N. Коллекторы n-p-n транзисторов 1-1-1-Р, истоковые узлы p-МОП-ключей 3-1-3-Р и 5-1-5-N подключены к шине +U_П положительного полюса напряжения питания. Коллекторы p-n-p транзисторов 2-1-2-N, истоковые узлы n-МОП-ключей 4-1-4-Р и 6-1-6-N подключены к шине -U_П отрицательного полюса напряжения питания.

Работа устройства основана на попеременном подключении при помощи КМОП-ключей 3-1-3-Р, 4-1-4-Р и 5-1-5-N, 6-1-6-N базовых выводов одного и более n-p-n транзисторов 1-1-1-Р к шине +U_П или базовых выводов одного и более n-p-n транзисторов 2-1-2-N к шине -U_П для формирования на выходе соответственно напряжения высокого или низкого логического уровня. Во всех определенных состояниях логического вентиля исключено одновременное наличие высокого уровня напряжения на базах n-p-n транзисторов 1-1-1-Р и низкого уровня напряжения на базах p-n-р транзисторов 2-1-2-N.

Объединенные по выходам эмиттерные повторители на транзисторах 1-1-1-Р выполняют дизъюнкцию логических сигналов, поступающих на их базы, поэтому логические уровни напряжений на стоковых узлах пар КМОП-ключей 3-1-3-Р и 4-1-4-Р определяют функции F₁(X), F₂(X), … ,F_P(X), дизъюнкция которых декомпозирует общую функцию устройства. Для этого проводимости р-МОП-ключей 3-1-3-Р соответствуют этим функциям, а проводимости n-МОП-ключей 4-1-4-Р – их инверсиям , , … , .

Транзисторы 2-1-2-N формируют нулевые состояния функции F(X), для чего управляющие ими пары КМОП-ключей 5-1-5-N и 6-1-6-N выполняют группу функций G₁(X), G₂(X), … ,G_N(X), конъюнкция которых тождественна функции устройства. Проводимости р-МОП-ключей 5-1-5-N соответствуют функциям G₁(X), G₂(X), … ,G_N(X), а проводимости n-МОП-ключей 6-1-6-N – их инверсиям , , … , .

Таким образом, цепи р-МОП-транзисторов, содержащиеся в ключах 3-1-3Р, представляют собой отдельные параллельные цепи эквивалентного единого р-МОП-ключа, а n-МОП-транзисторные цепи ключей 6-1-6-N соответствуют отдельным параллельным цепям эквивалентного единого n-МОП-ключа. Математическую взаимосвязь функций проводимости КМОП-ключей 3-1-3-Р, 4-1-4-Р, 5-1-5-N, 6-1-6-N отражают следующие логические формулы:

Логический вентиль может принимать состояние ′′Выключено′′, если для него предусмотрены состояния, в которых на всех базах n-p-n транзисторов 1-1-1-Р соответствующие КМОП-ключи 3-1-3-Р и 4-1-4-Р формируют напряжения низкого уровня, а КМОП-ключи 5-1-5-N и 6-1-6-N создают высокое напряжение на базах всех p-n-р транзисторов 4-1-4-N.

Рассмотрим пример реализации логического вентиля с функцией мажоритарного инвертора 2 из 3, которая принимает значения логической единицы в случаях, когда не менее двух из трех ее аргументов равны логическому нулю, или значения логического нуля, если не менее двух ее аргументов равны логической единице. Логическую единицу и логический нуль соответственно представляют напряжения высокого и низкого уровней.

На чертеже Фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема, содержащая по одной паре КМОП-ключей и эмиттерных повторителей.

Мажоритарный инвертор содержит с первого по шестой МОП-транзисторы 7-12 с каналом p типа проводимости и с первого по шестой МОП-транзисторы 13-18 с каналом n типа проводимости, составляющие p- и n-МОП-ключи. Затворы p-МОП-транзисторов 7-12 и n-МОП-транзисторов 13-18 с первых по шестые соответственно попарно соединены и подключены к первому А, второму В, первому А, третьему С, второму В, третьему С входам устройства. Стоки первых МОП-транзисторов 7 и 13 соединены с истоками вторых МОП-транзисторов 8 и 14 соответствующих типов. Стоки третьих МОП-транзисторов 11 и 17 соединены с истоками четвертых МОП-транзисторов 10 и 16 соответствующих типов. Стоки пятых МОП-транзисторов 11 и 17 соединены с истоками шестых МОП-транзисторов 12 и 18 совпадающих типов. Истоки первых, третьих и пятых МОП-транзисторов р- и n типов 7, 9, 11 и 13, 15, 17 соответственно подключены к шинам +U_П и -U_П положительного и отрицательного полюсов напряжения питания. Стоки вторых, четвертых и шестых МОП-транзисторов 8, 10, 12 и 14, 16, 18 подключены к базам образующих выходные эмиттерные повторители n-p-n транзистора 1 и p-n-р транзистора 2, коллекторы которых соответственно подключены к шинам +U_П и -U_П, а эмиттеры являются выходом устройства.

МОП-транзисторы 7-18 образуют цепи между базами транзисторов 1 и 2 и шинами +U_П и -U_П, содержащие по два последовательно соединенных транзистора, подключения затворов которых к трем входам А, В, С устройства составляют все три возможных комбинации по два из трех: А, В – р-МОП-транзисторы 7, 8 и n-МОП-13, 14;

A, С – p-МОП-транзисторы 9, 10 и n-МОП-15, 16;

B, С – p-МОП-транзисторы 11, 12 и n-МОП-17, 18.

Двухтранзисторные последовательные цепи образуют сквозные p-каналы при наличие не менее двух логических нулей среди поступающих на входы А, В, С устройства сигналов или n-каналы, когда среди трех входных сигналов А, В, С более одной логической единицы. Это обеспечивает формирование на выходе логического уровня, противоположного преобладающему на входах А, В, С.

Многоключевое решение мажоритарного инвертора 2 из 3 представляет принципиальная схема на чертеже Фиг. 3, она содержит шесть эмиттерных повторителей на n-p-n транзисторах 1-1, 1-2, 1-3 и p-n-р транзисторах 2-1, 2-2, 2-3 и шесть пар КМОП-ключей.

Первая пара КМОП-ключей состоит из первого, второго р-МОП-транзисторов 19, 20 и первого, второго n-МОП-транзисторов 21, 22. Сток транзистора 19 подключен к истоку транзистора 20, сток которого вместе со стоками транзисторов 21, 22 соединены с базой n-p-n транзистора 1-1.

Вторая пара КМОП-ключей состоит из третьего, четвертого n-МОП-транзисторов 23, 24 и третьего, четвертого p-МОП-транзисторов 25, 26. Сток транзистора 23 подключен к истоку транзистора 24, сток которого вместе со стоками транзисторов 25, 26 соединены с базой p-n-р транзистора 2-1.

Третья пара КМОП-ключей состоит из пятого, шестого p-МОП-транзисторов 27, 28 и пятого, шестого n-МОП-транзисторов 29, 30. Сток транзистора 27 подключен к истоку транзистора 28, сток которого вместе со стоками транзисторов 29, 30 соединены с базой n-p-n транзистора 1-2.

Четвертая пара КМОП-ключей состоит из седьмого, восьмого n-МОП-транзисторов 31, 32 и седьмого, восьмого p-МОП-транзисторов 33, 34. Сток транзистора 31 подключен к истоку транзистора 32, сток которого вместе со стоками транзисторов 33, 34 соединены с базой p-n-р транзистора 2-2.

Пятая пара КМОП-ключей состоит из восьмого, девятого р-МОП-транзисторов 35, 36 и восьмого, девятого n-МОП-транзисторов 37, 38. Сток транзистора 35 подключен к истоку транзистора 36, сток которого вместе со стоками транзисторов 37, 38 соединены с базой n-p-n транзистора 1-3.

Шестая пара КМОП-ключей состоит из десятого, одиннадцатого n-МОП-транзисторов 39, 40 и десятого, одиннадцатого p-МОП-транзисторов 41, 42. Сток транзистора 39 подключен к истоку транзистора 40, сток которого вместе со стоками транзисторов 41, 42 соединены с базой p-n-р транзистора 2-3.

Истоки p-МОП-транзисторов 19, 25, 26, 27, 33, 33, 34, 41, 42 и коллекторы n-p-n транзисторов 1-1, 1-2, 1-3 соединены с шиной +U_П положительного полюса напряжения питания, а истоки n-МОП-транзисторов 21, 22, 23, 29, 30, 31, 37, 38, 39 и коллекторы p-n-р транзисторов 2-1, 2-2, 2-3 соединены с шиной -U_П отрицательного полюса напряжения питания. Затворы транзисторов 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33 соединены с первым входом А устройства, затворы транзисторов 20, 22, 24, 26, 35, 37, 39, 41 соединены со вторым входом В устройства, а затворы транзисторов 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 соединены с третьим входом С устройства.

Каждая из P-канальных цепей, содержащих пары p-МОП-транзисторов 19 и 20, 27 и 28, 35 и 36 эквивалентна одной из параллельных цепей из пар p-МОП-транзисторов 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 соответственно в двухключевой схеме (фиг. 2). Комплементарные им n-канальные цепи на транзисторах 21 и 22, 29 и 30, 37 и 38 имеют соответствующие инверсные проводимости.

N-канальные цепи на парах n-МОП-транзисторов 23 и 24, 31 и 32, 39 и 40 соответственно эквивалентны параллельным цепям из пар n-МОП-транзисторов 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18 в схеме на чертеже фиг. 2. Проводимости комплементарных им цепей из р-МОП-транзисторов 21 и 22, 29 и 30, 37 и 38 соответственно инверсны.

Первая, третья и пятая пары КМОП-ключей, управляющие n-p-n транзисторами, формируют напряжения высокого уровня в случаях одновременного наличия логических нулей на парах входов А и В, А и С, В и С, что соответствует логическим выражениям , , , а вторая, четвертая и шестая пары КМОП-ключей, управляющие p-n-p транзисторами, создают низкие уровни в случаях логических единиц на тех же парах входов, в соответствии с выражениями , , .

Объединение эмиттеров транзисторов 1-1, 1-2, 1-3 и 2-1, 2-2, 2-3 в узле выхода выполняет дизъюнкцию сигналов со стоковых узлов первой, третьей и пятой пар КМОП-ключей, то есть , и конъюнкцию сигналов со стоковых узлов второй, четвертой и шестой пар – , эквивалентную выражению в силу ее самодвойственности.

Преимущество многоключевого решения мажоритарного инвертора 2 из 3 в быстродействии достигается уменьшением паразитных емкостей в узлах баз его биполярных транзисторов, определяемых количеством объединяемых в них транзисторных выводов, что позволяет ускорить процессы изменения напряжений в них при переключениях выходных состояний. В схеме фиг. 3 эта емкость снижена примерно в двое, так как ее создают три стоковых и один базовый выводы, в то время как в схеме фиг. 2 она складывается из паразитных емкостей шести стоков и двух баз.

Многоключевое решение логического вентиля на комплементарных МОП и биполярных транзисторах тем эффективнее, чем больше параллельных цепей можно выделить в отдельные КМОП-ключи.

edrid.ru