Логические элементы на полевых транзисторах

регулируется внешним электрическим полем, т. е. напряжением.
Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).
Полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки.
В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – и электроны и дырки.

Принцип действия полевого транзистора

PN-переходом (JFET: Junction-FET) и
– с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).
Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом.
В роли носителей электрического заряда выступают:
– у транзисторов с N-каналом – электроны.
– у транзисторов с P-каналом – дырки.

Классификация полевых транзисторов

Обозначение JFET транзисторов на принципиальных схемах

электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 1017 Ом).

Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или
МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник).
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)

МДП-транзисторы делятся на два типа
– со встроенным каналом и
– с индуцированным каналом.
В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

УГО МОП (MOSFET) транзистора
со встроенным каналом

УГО МОП (MOSFET) транзистора
с индуцированным каналом

отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений (зеркальное отображение в третьем квадранте).

усиления: KU = SRC

кОм

RK,Т2,Т3 ≤ 1 кОм

Логические элементы на p-МОП транзисторах

-20 В)
Энергопотребление на вентиль – 6 мВт при H и 0 мВт при L
Быстродействие – 400 нс.
Частота переключения (макс.) – 2 МГц
Зазор помехоустойчивости (типовой) – 5 В

p-МОП логические элементы работают медленно, но устойчиво. Нуждаются в достаточно большом напряжении питания.
Применяются в схемах с низким быстродействием и высокой помехоустойчивостью.
Интегральные схемы обладают высокой плотностью упаковки элементов.

– 2 мВт (L)
0 мВт (Н)
Быстродействие – 50 нс
Максимальная частота – 20 МГц
Зазор помехоустойчивости – 2 В.

устроены так, что в токовой ветви один транзистор всегда закрыт, а другой всегда открыт.
Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко. Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты переключения.
Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой — из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны перезарядиться транзисторные емкости.

ЛЭ КМОП

в состав микросхемы КР1561ЛЕ6

Логический элемент 4И-НЕ, входящий в состав микросхемы КР1561ЛА1

каналом

Принципиальная схема передаточного логического элемента

Передаточный элемент работает как переключатель.

Рабочая таблица передаточного логического элемента

Зависимость сопротивления
канала n-МОП и p-МОП ключа от Uвх

коммутатор в состояние включено, нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора VT1 положительное управляющее напряжение Uупр, равное, по меньшей мере 2Uoтc, а к затвору транзистора VT2 – такое же напряжение, но противоположное по знаку.
При малых величинах входного напряжения Uвх оба МОП-транзистора будут открыты.
При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы VT1 и VT2 меняются ролями.
Для того чтобы перевести коммутатор в состояние выключено, необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

от UИ.П.)

до 15 Вольт)

цепочка и малая токовая отдача требуют соблюдения правил предосторожности в применении и обращении.

Емкость на выходе и входе. Если на выходе инвертора присутствует конденсатор, в моменты переключений через открытые транзисторы протекают токи заряда и разряда. При больших значениях ёмкости, открытый транзистор работает в режиме близком к короткому замыканию. В обычных условиях емкостная нагрузка не должна превышать 500 пФ. Если ёмкость больше, то надо использовать разрядный резистор R для ограничения тока, чтобы был не более 1÷2 мА.

Защита входов от перегрузок.
Входное напряжение микросхем КМОП с охранной диодно-резистивной цепочкой на входе для предотвращения отпирания входных диодов в прямом направлении не должно выходить за пределы –0,7В ≤ Uвх ≤ UИ.П.+0,7В. Иначе также надо использовать токоограничивающий резистор для ограничения тока уровнем 1÷2мА.

Особенности микросхем КМОП структуры

Диодно-резистивная охранная цепочка

Включение ограничивающих резисторов

нарушились условия работы микросхемы в целом.
Так же как и в ТТЛ свободные входы объединяют с +UИ.П. или общим проводом в зависимости от функции элемента либо объединяют их с другими, задействованными входами.

а) б)

В случае варианта б) за счёт постоянного смещения отпирание n-канальных транзисторов происходит раньше и общее пороговое напряжение становится меньше, чем в случае а). Поэтому вариант а) более эффективен применительно к помехам, возникающим в общей шине, а вариант б) в отношении защиты от помех, возникающих в шине питания.
Входы КМОП микросхем (в отличие от ТТЛ) оставлять свободными недопустимо.
Если какой-нибудь вход окажется неподсоединённым, на нём могут возникнуть непредсказуемые напряжения за счёт наводок и связей через паразитные ёмкости. Следствием этого может быть не только неверное действие микросхемы, но и её повреждение.