Логический элемент на полевых транзисторах

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ СПУБЛИК 19)(51) 4 Н 03 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТСВЩ):,: СКОМУ СВИДЕТ К ТВ ктронной льскии 036791 ЛЕВЬ кр ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский институт элтехники(54) ЛОГИЧЕСКИИ ЭЛЕМЕНТ НАТРАНЗИСТОРАХ(57) Изобретение относится электронике и может быть использовано в цифровых интегральных схемах,/. аналого- цифровых преобразователях, Цель изобретения - повьппение помехозащищенности и надежности работы устройства. Логический элемент состоит из инвертирующего транзистора (Т) 1, нагрузочного Т 2 и нагрузочного блока 3 с выводами 4-6. Т 1 и 2 вь)полнены с одинаковыми пороговыми напряжениями 1 . Между выводами 4 и 5 нагруС зочного блока 3 задан источник тока Т , а между выводами 5 и 6 - источник опорного напряжения 1, . В описании приведены примеры выполнения Т 1РЩи 2 и нагрузочного блока 3. 4 з,п. ф-лы, 6 ил,(3,55 П ,Устройство относится к микроэлектронике и может быть использонано в цифровых интегральных схемах, аналого-цифровых преобразователях.Целью изобретения является повышение помехозащищенности и надежности работы за счет стабилизации и сужения зоны напряжения переключения.На фиг, 1 изображен логический элемент на основе полевых транзисторов и нагрузочного блока; на фиг. 2-4 примеры выполнения нагрузочного блока; на фиг. 5 - схема логического элемента с повьппенным выходным сопро тивлением нагрузки; на фиг. 6 графически изображен принцип действия логического элемента.Логический элемент (фиг, 1) состоит из инвертирующегои нагрузоч О ного 2 транзисторов и нагрузочцого блока 3 с тремя выводами 4-6, Оба транзистора выполнены с одиц.эковымц пороговымиапряжениям 1, . Между выводами 4 и 5 цагрузочого блока элп 25 источник тока Т , между ныводдми 5 и 6 - источник опорного напряж цияНапряжение переключенияэлене- П та можно получить иэ условия раве- ства тока ивертируего трлцзисто - 30 ра, который в момецт переключения спставляет (11 в ( .. току цлгру ки, состоящего цэкд тразисторд ., рлнл ного (11 -1 , ц тока блока 3 О. Это услоние в,1 дждс тс я рлвецстцом35 из которого можно выра:итьдряжеццепереключения- г+и о где р - крутизна первого траэцсторл;крутизна второго трдцэисторд.245 Чтобы напряжение переключения це зависило от разброса технологических параметров в случае изготовления трацзисторов 1 и 2 нормально открытыми (БО), необходимо нагрузочцьп блок 50 выполнить так, чтобы выполнялось ра- венство тогда напряжение переключения равно и его зависимость от величины порогоного напряжения исключается, где Ъ - ширина канала первого тран(зистора;У - пирина канала второго транзистора.Пример выполнения нагрузочного блока, при котором условие легко реализуется, показан на фиг2. Он состоит из нормально открытого транзистора 7 и диода 8. Величина опорного напряжения в блоке определяется падением напряжения на диоде 1 О, а ток 1 в , транзистором 7. Величина 1 оо находится из ВАХ транзистора для напряжеия затвор - исток, равного ну- лю 1,= -1 (5)Подставляя (5) в (3), получим 1, Мили, учитывая, чтоКусловие ( 6 ) преобразуется к виду Тлки сбразом, задав соотношениедля ширины канала транзисторов 1, 2 и /, получим, что напряжение переклкчеция определяется выражеццем (4), которое с учетом того, чтоимеет нд Выражение ( 8 ) показывает, что при о лицом выполнении нагрузочцого Г:кл 1 спряжение переключения зависит тслько от пддеция напряжения на диоде и соотношения ширины канала трдцзисторов 1 и 2. Эти параметры наиболее восироизнодимы н технологическом процессе, что и дает возможность стабилизировать напряжение переключения и добиться положительного ффекта - повысить помехозащищенность и цадежность элемента,При этом изменение других параметрон транзисторов (порогового напряжения, крутизны, максимального тока и другх) це сказывается на величине напряжения переключения, так как транзисторы выполняются в одном технологическом цикле, и уход их параметров проис. ходит одновременно с высокой степенью корреляции. Указанные факторы спасбствуют сохранению быстродейст 1406778ния наряду с улучиецием помехозащищецности.Другой способ стабилизации напряжения переключения, который может5 быть использован как для нормально открытых, так и для нормально закрытых транзисторов, заключается в том, что нагрузочный и инвертирующий транзисторы выполняются идентичными, т.е. Ж, =Ъ и р,=г, а в нагрузочцом блоке ток задается достаточно малым,очтобы выполнялось условие(9) Условие (9) означает, что ток много меньше тока нагрузочного транзистора (обычно в 10-100 раз,При указанном условии и г =г: наа пряжение переключения, определяемое формулой (2), составляет(101 п 1 ои Примеры выполнения цагрузочцого 25блока для логического элемента с напряжением переключения, равным опорному, показаны ца фиг, 2-4. Прц этом выполнение условия (9) н цагрузочном блоке ца фиг, 2 может быть обес- ЗО печено соответствующим выбором ширины и длины кацала цормальцо открытого транзистора 7, а н цагрузочцыхблоках ца фиг, 3 и 4 - выбором сопротивлений резцсторон таким образом,чтобы при всех возможных состоянияхлогического элемента условие ( 9,также вьполцялось,В рассмотренном методе стабилизации напряжения переключецця цредпо 40 лагается, что полевые транзисторы впологой области ВАХ представляют собой источники тока, близкие к иде -альным. Такое предположение оцравдано для относительно длиццокацальцых транзисторов, в то время как в короткоканальных, наиболее быстродецстнующих транзисторах, выходное сопротивление существенно меньше и ток стока заметно зависит от напряжения исток50 сток. В этом случае стабилизацию напряжения переключения логического элемента следует осуществлять с использованием дополнительного цагрузочцого блока и дополнительного цагрузочцого55 транзистора, как это показано в схеме логического элемента ца фи 5..1 огический элемент состоит из ицвертирующего 1 и нагру очного 2 транзисторов, нагруэочного блока 3 с выводами 4-6, дополнительного нагруэочного транзистора 9 и дополнительногонагрузочного блока 11 с выводами 11-13. Все транзисторы выполнены с одинаковыми пороговыми напряжениями, анагрузочные блоки аналогичны описанным.В данном варианте логического элемента принцип стабилизации напряженияпереключения сохранения и нагрузочный блок 3 может быть выполнен посхемам на фиг. 2-4. Дополнительныетранзистор 9 и блок 10 стабилизируют напряжение исток - сток нагрузочного транзистора 2, что приводит кповышению выходного сопрэтивления нагрузки, даже в случае использованиякороткоканальных транзисторов,Источник тока в блоке 10 Т, должен1 Обыть много меньше, чем ток нагрузки,чтобы выполнялось условие1 и г(.оиС Тогде Т - ток источника тока блока 3.оЭто дает возможность пренебречь дополнительггым током блока 1 О и оставляет в силе полученные соотношения для параметров транзисторов и блока 3.Опорное напряжение в блоке 1 О должно иметь величину, обеспечинающую работу блока 3 и транзистора 2 в качестве источников тока,Транзистор 7 должен обладать крутизной не меньшей, чем транзистор 2. Лля этого ширина канала транзистора 9 должна быть больше цли равна ширине канала транзистора 2, что обеспечивает согласование токов этих транзисторон.Пагрузочный блок 10 может быть реализован по схемам, показанным на фиг, 2 и 3, причем для получения требуемого опорного напряжения количество диодов в блоке может быть увеличено или использована обратная ветвьдиода.1 елесообразно транзистор в блоке 1 О выполнять длинноканальным (резистор высокоомным), что обеспечивает высокое выходное сопротивление и достаточно малую величину тока.Логический элемент на фиг, 5 работает следующим образом.При изменении на входе логическо 1 в го элемента сигнала от уровня 1 до уровня "0" возрастание выходного на 5 1406пряжения происходит в момент равенствавходного напряжения напряжению переключения. При использонании в логическом элементе полевых, транзисторовс барьерным переходом и в случае, если нагрузкой служит аналогичный логический элемент, высокое выходное напряжение ограничивается на уровне напряжения отпирания барьерного перехо ида переключающего транзистора следующего каскада,и хотя потенциал истоканагрузочного транзистора 2 в процессепереключения меняется, напряжениезатвор - исток и исток - сток благодаря транзистору 9 и нагрузочным блокам 3 и 10 остаются неизменными, Этоопределяет и постоянство нагрузочноготока, который после запирания транзистора 1 течет в затвор транзистора 20(или диод) следующего каскада,Поскольку нагрузочный ток не зависит от потенциала на выходе, выключение логического элемента происходит при том же напряжении, что и 25включение,формула изобретения1. Логический элемент на полевых 30 транзисторах, содержащий переключающий и нагрузочный транзисторы с одинаковым пороговым напряжением и нагрузочный блок с двумя выводами, ири этом исток переключающего транзистора соединен с обшей шиной, затвор псдключен к шине входного сигнала, сток соединен с истоком нагрузочного транзистора, сток которого подключен к шине питания и к первому выводу нагрузочного блока, второй вывод которого соединен с затвором нагрузочного транзистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью ионьпцения надежности и помехозашишешости за счет ста- д билизации напряжения переключения, нагрузочный блок снабжен третьим выводом, подключенным к истоку нагрузочного транзистора, причем между первым и третьим выводами нагрузочного блока включен источник тока, а между вторым и третькч выводами - источник опорного напряжения.2, Элемент по и, 1, о т и и ч аю щ и й с я тем, что переключающий и нагрузочный транзисторы выполнены нормально открытыми, а нагрузочный блок выполнен на основе нормально открытого транзистора и диода, причем сток транзистора подключен к первому ныводу нагрузочного блока, соединенные исток и затвор подключены к второму выводу нагрузочного блока и первому выводу диода, второй вывод которого подключен к третьему выводу нагрузочного блока, при этом ширина канала переключающего транзистора равна суммарной ширине каналов нагрузочного транзистора и транзистора блока.Э. Элемент по п. 1 о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления, нагрузочный блок выполнен на основе последонательно включенных резистора и диода, причем резистор подключен к первому выводу нагруэочнрго блока, точка соединения резистора и первого вывода диода - к второму выводу, а второй вывод диода - к третьему выводу.4, Элемент ио п, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления, нагрузочный и переключающий транзисторы идентичны, нагрузочный блок выполнен на основе трех резисторов и диода, причем первый резистор включен между первым выводом нагрузочного блока и первым выводом диода, второй вывод которого подключен к третьему выводу нагрузочного блока, нторой и третий резисторы включены последовате:п,ио между выводами диода, а точка их соединения подключена к второму выводу нагрузочного блока.5, Элемент по и. 1, о т л и ч аю ш и й с я тем, что сток нагрузочного транзистора подключен к шине питания через дополнительный транзистор, при этом сток нагрузочного транзистора соединен с истоком дополнительного транзистора, сток которого подключен к шине питания и к первому ньводу дополнительного нагрузочного блока, а затвор - к второму выноду дополнительного нагрузочного блока, третий вывод которого соединен с истоком нагрузочного транзистора.1406778Уия Ус иСоставитель А.Цех.ановский Редактор Е.топча Техред М.Дидык Корректор В.Бутяга Заказ 3207/54 Тираж 928 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Рпушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4