Аналоговые ключи и управляющие вентили

Статистические характеристики вентилей передачи. Полевой МОП-транзистор, подключенный в схемах рисунков 10.62, б и 10.63, б последовательно по отношению к точке разветвления на выходе, осуществляет коммутацию логических сигналов. Его называют элементом или вентилем передачи (рисунок 10.66) [5].

Рисунок 10.66 - Вентили передачи: а – на МОП-транзисторах, работающих

в режимах обогащения/обеднения; б – на КМОП-транзисторах

Функциональное назначение элементов, показанных на рисунке 10.66, одинаково: они замыкают или размыкают цепь передачи сигнала. Однако их электрические характеристики различны. В схеме рисунка 10.66, а использован n- канальный МОП-транзистор. Если этот транзистор открыт, т. е. разность потенциалов между точками А и В невелика (мало напряжение U_СИ), то его сопротивление описывается выражением (10.49). Как показано на рисунке 10.67, а, поскольку n- канальный полевой МОП-транзистор имеет пороговое напряжение U_пор , в том случае, когда потенциал точки А становится больше разности (U_выс – U_Т), сопротивление транзистора резко возрастает, и сигнал через него не проходит.

В вентиле передачи на КМОП-транзисторах (рисунок 10.66, б) напротив, имеет место сложение параллельных сопротивлений n- канального и p- канального МОП-транзисторов, за счет чего может быть получена характеристика результирующего сопротивления, достаточно плоская в широком диапазоне значений потенциала сигнала. Она показана пунктирной линией на рисунке 10.67, б.

Рисунок 10.67 - Сопротивление вентилей передачи: а – на транзисторах, работающих

в режимах обогащения/обеднения; б – на КМОП-транзисторах

Очень часто МОП-транзисторы, включенные по схеме, отображенной на рисунке 10.66, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких своих свойств, как малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление в выключенном состоянии, малые токи утечки и малая емкость, они являются близкими к идеальным ключам, управляемыми напряжением, для ограниченных по амплитуде аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений и нелинейных искажений. В настоящем разделе рассматриваются вопросы применения аналоговых ключей в цифровых схемах.

Динамические характеристики вентилей передачи. Если в качестве вентиля передачи используется один полевой транзистор, например, как в МОП-структуре в режиме обогащения/обеднения, то следует обратить особое внимание на временную характеристику такого вентиля. Переходные процессы в вентиле передачи в этом случае можно оценить посредством эквивалентной схемы рисунка 10.68. При начальных условиях, указанных на рисунке 10.68, временная характеристика U_B имеет приблизительно такой же передний фронт, как и характеристика инвертора, выполненного на полевых МОП-транзисторах, работающих в режимах обогащения/обогащения. Она описывается следующим уравнением:

, . (10.50)

При выводе выражения (10.50) использовано то обстоятельство, что МОП-транзисторы работают в области насыщения. Сравнивая крутизну переднего фронта временной характеристики вентилей передачи, выполненных на МОП-структурах с транзисторами, работающими в режимах обогащения/обеднения, с крутизной переднего фронта аналогичной характеристики инверторов, выполненных на тех же транзисторах, легко установить, что скорость нарастания относительно потенциала (U_выс – U_пор) в рассматриваемом случае хуже, и время нарастания (до 90 % полного напряжения) составляет 18 τ. Напротив, задний фронт временной характеристики вентиля передачи, как и в случае инверторов, выполненных на полевых МОП-транзисторах, работающих в режимах обогащения/обеднения, описывается выражением (10.39), т. е. быстродействие в данном случае вполне удовлетворительно. Другими словами, временная характеристика сигнала, проходящего через вентиль передачи, выполненный на полевых МОП-транзисторах, работающих в режимах обогащения/обеднения, имеет бó льшую асимметрию, чем временные характеристики инверторов с использованием МОП-структур, выполненных на транзисторах, работающих в режимах обогащения/обеднения. Отметим, что асимметрия временных характеристик вентилей передачи на КМОП-структурах может быть скорректирована.

Еще один вопрос, заслуживающий внимания при анализе работы вентилей передачи на МОП-структурах с транзисторами, работающими в режимах обогащения/ обеднения, – это вопрос об оценке порогового напряжения вентиля следующего каскада. Если, как показано на рисунке 10.69, вентиль передачи последовательно подключен к входу инвертора, то, как вытекает из выражения (10.50), напряжение на входе инвертора может быть выбрано только в пределах от U_низ до (U_выс – U_пор). Другими словами, если учитывать только величину U_пор, то пределы изменения входного напряжения могут показаться довольно большими. Обычно напряжение U_пор составляет около 10% напряжения питания. Однако, принимая во внимание медленное нарастание переднего фронта вентиля передачи, а также увеличение порогового напряжения МОП-транзистора при обратном смещении подложки (9.46), видно, что пределы изменения входного напряжения становятся более узкими.

Таким образом, в инверторах, вход которых соединен с выходом вентиля передачи, пороговое напряжение инвертора, как правило, приходится выбирать более низким, чем в прочих случаях. Как следует из выражения (10.31), это соответствует повышению коэффициента инвертора.

Последовательное соединение вентилей передачи. При совместном использовании вентилей передачи, выполненных на КМОП-структурах, а также на МОП-структурах с транзисторами, работающими в режимах обогащения/обеднения, возникает проблема каскадного включения этих вентилей. Инверторы, как известно, обладают способностью к усилению, т. е. в конечном итоге способностью к правильному воспроизведению формы сигнала. Вентили передачи не обладают такой способностью, и с ростом числа последовательно соединенных вентилей возрастает степень искажений выходного сигнала. Кроме того, время задержки сигнала возрастает пропорционально квадрату числа последовательно включенных вентилей передачи. Таким образом, проектируя цепочку из множества последовательно включенных вентилей передачи, ее необходимо разделить на части и ввести между ними буферы-инверторы. Обеспечение правильного воспроизведения формы сигнала приведет также и к уменьшению времени задержки.

Пример воспроизведения формы логического сигнала приведен на рисунке 10.70.

Рисунок 10.70 - Буферированная ячейка 2И-НЕ (а), форма логического сигнала (б)

Базовые управляющие схемы. Соединив некоторое количество вентилей передачи, можно реализовать вентили, обладающие определенными логическими функциями. Поскольку такие вентили способны задавать тот или иной путь распространения сигнала, их называют управляющими. Управляющие вентили могут быть выполнены на базе как КМОП-структур, так и МОП-структур с транзисторами, работающими в режимах обогащения/обеднения. Дальнейшее изложение ведется применительно к вентилям, выполненным на базе МОП-структур с транзисторами, работающими в режимах обогащения/обеднения.

Рисунок 10.71 Схема 2–1-мультиплексора/демультиплексора

Рисунок 10.72 - Схема генератора функций

На рисунке 10.71 представлена схема 2–1-мультиплексора-демультиплексора (два входа – один выход), являющегося одной из базовых схем управляющих вентилей (там же представлено ее графическое обозначение). Если φ = 1, то соединенными оказываются точки А и С, если φ = 0, то соединенными будут точки В и С, т. е. вентиль будет обладать функцией коммутации. Вентиль может быть использован и как мультиплексор и как демульти-плексор. Объединив несколько таких базовых схем, можно построить многовходовый вентиль. В качестве одного из примеров таких вентилей на рисунке 10.72 показана схема генератора функций. Хотя в данном случае этот вентиль используется как 4–1-мультиплексор-демультиплексор, в сущности, это универсальная схема; подавая на ее входы F 0– F 3 соответствующие сигналы, можно реализовать все логические функции, присущие двухвходовым вентилям (таблица 10.2).

Таблица 10.2 - Логические функции, реализуемые генератором функций

F 0	F 1	F 2	F 3	Z
				А ∙ В (логическое произведение)
				В
				А
				(Исключающее ИЛИ)
				А + В (логическая сумма)

Помимо рассмотренной существуют и другие возможности применения управляющих вентилей. Поскольку при сравнительно небольшом числе элементов вентиль позволяет реализовать значительное количество функций, он является одним из типов устройств, широко применяемых в технике МОП БИС.

В качестве еще одного типа устройств на управляющих вентилях можно рассмотреть устройства сдвига данных. Наиболее общим для устройств, предназначенных для выбора или изменения способа подключения определенной части сигнальных шин, является матричный переключатель, схема которого приведена на рисунке 10.73, а. Способ переключения желаемой части шин путем управления потенциалом затворов полевых МОП-транзисторов очевиден из схемы. Наиболее острыми вместе с тем являются проблемы формирования управляющих сигналов и их передачи к вентилям. В этой связи целесообразно рассмотреть компактную схему сдвигающего устройства на рисунке 10.73, б [5].

а) б)

Рисунок 10.73 - Матричный переключатель (а) и схема группового сдвига (б)

Управление устройством осуществляется таким образом, что из всех шин управления s ₀– s_s только одна имеет потенциал, соответствующий 1, а все прочие имеют потенциал равный 0. Если потенциал, соответствующий 1, имеет шина a_i, то входы a_i – a_{i+ 4} оказываются соединенными с b ₀– b ₄. Такое устройство, в котором производится сдвиг нескольких разрядов одновременно, называется групповым сдвигателем. Это устройство содержит значительное число элементов, но имеет сравнительно правильную структуру и обладает достаточным для БИС быстродействием. В ЭВМ на БИС такие устройства используют для выделения полей команд, циклических сдвигов и т. п.