4. Полевая логика (пл) и её разновидности (мдптл, кмдптл и др)

В отличии от всех рассмотренных схем (ДЛ, ТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ и ЭСЛ) основанных на биполярных транзисторах (npn – как правило, но могут быть и pnn – транзисторы), полевая логика основана на полевых (канальных, униполярных) транзисторах. В отличие от биполярных транзисторов они имеют меньшее быстродействие, но более компактны и меньше выделяют тепло.

4.1. Пл на основе полевых транзисторов

Полевой транзистор открывается, если есть (или индуцируется) канал между истоком и стоком (без канала это два pn перехода т.е. два диода, включенных на встречу друг другу).

Название - униполярные транзисторы, т.к. подвижные заряды только электроны (вn – канальных), а дырки не подвижны. Или дырки (в р-канальных), электроны неподвижны. А в биполярных всегда есть движение и электронов и дырок, поэтому и неустраним ток Э-Б. Название - полевые транзисторы, т.к управляются только входным напряжением. (т.е. электрическим полем).

Любой транзистор можно представить в виде четырехполюсника.

Вполевых транзисторахI_ВХ = 0, U_ВЫХ и I_ВЫХ зависят только от U_ВХ (входного напряжения).

В биполярных транзисторах (т.к. есть ток Э-Б) U_ВЫХ и I_ВЫХ зависят U_ВХ и I_ВХ. Считается, что биполярные транзисторы управляются напряжением и током, а полевые только напряжением.

Обозначение полевых транзисторов: n-канальные, p-канальные.

Задача входного напряжения в цифровой схемотехнике индуцировании и разрушении канала (открыт-закрыт), а в аналоговой технике расширении или сужении канала (меньше-больше).

Что бы полностью предотвратить ток с затвора в канал (ток может быть, если переход между металлическим затвором и подложкой откроется), была предложена особая разновидность полевых транзисторов: МДП, МОП, МИП (MIS) – транзистор.

Затвор – металлический. Подложка, где может быть канал, а также исток, сток – полупроводниковый. Между ними расположен диэлектрик (как правило, оксид кремния S_I0₂) т.е. изолятор (Metal-Isolator-Semiconductor).

Причем канал может быть встроенным (в аналоговой технике) или индуцированным (т.е. создаваемым, наводимым – в цифровой технике).

n-кан р-кан n-кан р-кан

с индуцирован. с встроенным

каналом каналом

4.2. Мдптл – логика на основе полевых мдп транзисторов

Достоинства:

1. Нет паразитных входных токов между затвором и истоком ( а в npn-транзисторах токи есть всегда Б-Э), и как следствие меньше проблем отвода тепла.

2. Очень компактны и дешевы в изготовлении – допускают большую концентрацию в кристалле (в 100 раз больше, чем npn-транзисторы).

Недостатки:

1. Отсутствие быстродействия: индицирование и рассасывание канала требует большего времени, чем открытие и закрытие pn-перехода.

Если во всех схемах ТЛnpn-транзистор заменить на МДП-транзистор получаются схемы МДПТЛ.

Этот инвертор построенный на основе разных транзисторов, но работающий аналагично: при U_ВХ = 0, R_ТР → ∞, цепь разомкнута, U_ВЫХ = U_ИСТ. При U_ВХ = 1, R_ТР → 0, U_ВЫХ = 0 (т.к. замкнута «на земле»)

Еще один, но преодолимый недостаток: если транзистор закрыт, токи не протекают, нет выделения тепла, но если транзистор открыт, протекают токи и выделяется тепло. Этот недостаток свойственен также и всем другим рассмотренным схемам. Но в случае МДП транзистора её удается весьма эффективно преодолеть.

3. КМДПТЛ – логика на комплементарных МДП транзисторах

Complementary (complex) – взаимодополняющий, составляющий (сложный), не путать со словом комплимент (от французского Compliment похвала).

Используют два МДП транзистора: n-канальный и р-канальный, но (причем p – канальный на схеме выглядит как-бы включенный «вверх ногами»).

Напомним, что n-канальным открывается если напряжение затвора больше напряжения истока (U_ЗАТВ > U_ИСТ).

р-канальный: U_ЗАТВ ≥ U_ИСТ – закрыт,

U_ЗАТВ < U_ИСТ – открыт.

n-канальный: U_ЗАТВ ≤ U_ИСТ – закрыт,

U_ЗАТВ > U_ИСТ – открыт.

Рассмотрим два случая:U_ВХ=0 и U_ВЫХ =1 (например, равный напряжению источника) при этом схемы существенно упрощаются.

Верхний р-канальный транзистор открыт, т.к. U_ЗАТВ = 0 меньше U_ИСТ = 1, нижний n-канальный транзистор закрыт, т.к. U_ЗАТВ = U_ИСТ = 0. U_ВЫХ = 1, т.к. подсоединен к источнику.

Верхний р-канальный транзистор закрыт, т.к. U_ЗАТВ = U_ИСТ = 1, нижний n-канальный транзистор открыт, т.к. U_ЗАТВ =1 больше U_ИСТ = 0. U_ВЫХ = 0, т.к. выход заземлен.

Это схема инвертора, из которой можно получить схемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Токи вообще практически не протекают (только чуть-чуть во время переключения). Вопросы отвода тепла практически отсутствуют. На инвертор требуется 2 транзистора (но нет сопротивления, как в ТЛ, на который тоже и в интегральных схемах уходит ячейка). Для схем ИЛИ-НЕ, И-НЕ – требуется 4 транзистора, но ничего более не требуется, так что получается очень компактно.