Динамические схемы на основе МДП-структур

Динамическая МОП-транзисторная логика (ДМОПТЛ). Общая особенность МОП-транзисторных ИЛЭ — то, что в цепочке они гальванически изолированы друг от друга благодаря огром­ному входному сопротивлению со стороны затвора — позволяет строить особый класс ИЛЭ — схемы динамического типа (рис 1).

На затвор транзистора ТЗ подаются управляющие импульсы с амплитудой Ети = Ес (рис. 1, а). Эти импульсы называют тактовыми, а режим работы ИЛЭ при наличии тактовых импульсов — синхронным режимом. Другие ИЛЭ работали в асинхронном режиме. Очевидно, что в отсутствие тактового импульса, когда Uти = 0, транзистор ТЗ заперт независимо от состояния логиче­ских транзисторов. При этом мощность от источника питания не потребляется. Когда поступает тактовый импульс, затвор нагрузочного транзистора оказывается фактически присоединенным к шине питания. Во время действия тактового импульса синхронный ИЛЭ работает так же, как асинхронный, и потреб­ляет или не потребляет мощность в зависимости от состояния логических транзисторов.

Из сказанного следует, что синхронный режим обеспечивает выигрыш в потребляемой мощности. Этот выигрыш определя­ется скважностью тактовых импульсов, т.е. отношением пери­ода их повторения Т к длительности импульса tти. Чем больше скважность T/ tти, тем больше выигрыш в мощности. Однако величина tти ограничена временем перезаряда паразитной ем­кости С, а период Т — желательной скоростью передачи инфор­мации (частотой опроса ИЛЭ).

Рис. 1. Синхронный элемент МОПТЛ (а), элемент ДМОПТЛ «без отношения» (б), временная диаграмма для ДМОПТЛ (в)

Для построения элемента ДМОПТЛ простейшую схему (рис. 1, а) нужно дополнить ключом Т5, который отделяет выход данного ИЛЭ от входа следующего (рис. 1, б). Ключ Т5 вместе с конденсаторами С1 и С2 образует схему памяти. Ем­кости могут быть либо «паразитными» (в сумме равными емко­сти С на рис. 1, а), либо специально осуществленными на кристалле. Ключ Т5 управляется вспомогательными тактовы­ми импульсами (U'TИ), сдвинутыми относительно основных (Uти). Работа схемы иллюстрируется временными диаграммами на рис. 1, в.

Положим для простоты, что на входе В действует неизмен­ное запирающее напряжение U0, а на входе А напряжение при­нимает значение U1 или U0. Пусть в исходном состоянии UA = Ul, т.е. транзистор Т1 открыт. Тогда в интервале между такто­выми импульсами tти, когда транзистор Т3 заперт, через Т1 протекает ничтожный ток и на выходе (в точке а) остаточное напряжение практически равно нулю. При поступлении очередного тактового импульса tти (мо­мент t1) транзистор ТЗ открывается и в точке а устанавливает­ся остаточное напряжение, зависящее от отношения удельных крутизн активного и нагрузочного транзисторов. Если размеры транзисторов сравнимы, это напряжение может быть достаточно большим. По окончании тактового импульса Uти напряжение Uo снова падает до нуля.

При поступлении тактового импульса U’ти (момент t2) отпи­рается ключ Т5. При этом емкости Сг и С2 оказываются соеди­ненными параллельно и на них устанавливается одинаковое напряжение, в данном случае — равное нулю. По окончании импульса U’ти ключ Т5 запирается и емкость С2 сохраняет нуле­вое напряжение несмотря на то, что в момент t3 при очередном импульсе Uти напряжение Ua снова временно возрастает.

Таким образом, на входе следующего ИЛЭ (в точке б) уровень U0 равен нулю независимо от отношения удельных крутизн b1/b3 в предыдущем ИЛЭ. Это обстоятельство позволяет выбирать от­ношение b1/b3 близким к единице, т.е. уменьшать размеры ак­тивного транзистора до размеров нагрузочного. Тем самым обес­печивается существенная экономия площади на кристалле, что является одним из важных преимуществ ДМОПТЛ.

Схемы ДМОПТЛ, построенные по описанному принципу, на­зывают схемами «без отношения», а простейшую схему (рис. 1, а), в которой должно выполняться неравенство b1/b3 >> 1, схемой «с отношением».

Если на вход А подать напряжение UA = U° (момент t4), то транзистор Т1 запирается, и при поступлении очередного так­тового импульса UТИ (момент t5) напряжение Uo поднимается до уровня U1 = Ес. Этот уровень в дальнейшем сохраняется, так как транзистор П остается запертым. При очередном отпира­нии ключа Т5 (момент t6) конденсатор С2 зарядится до такого же напряжения (C1 >> C2) и сохранит его после запирания ключа Т5.

Из приведенного описания следует, что в схеме «без отноше­ния» информация передается от одного ИЛЭ к другому с запаз­дыванием — сдвигом на один такт (на один период тактовых импульсов).