Прежде чем хТерейти к подробной схеме инвертора на основе КМОП-структур (КМОП-иивертора), рассмотрим упрощенную модель работы по переключению цепи, выполняемой инвертором. Для данных целей инвертор может рассматриваться как сблокированный в одном корпусе перключатель с двумя разрывами цепи, на выходе которого может быть сигнал ЛИБО {/+, ЛИБО земля . Сблокиро-

Вымд Вход

Выход

±г а

-канал Ф 5)

Рис. 1.7. Инвертор как переключатель;

а - вход соединен с землей; б - вход соединен с положительным полюсом источника питания

Рис. 1.8. КМОП-инвертор:

а - механическая модель; б - схема КМОП-структуры из двух тран зисторов (дополняющая пара- верхний - р-канальный, нижний - п-канальный)

ванный означает, что обе части движутся вместе, как бы соединенные неким рычагом, причем если один контакт замкнут, то другой - разомкнут, и наоборот (рис. 1.7).

Если вход инвертора соединен с землей (нуль), переключатель соединяет выход с U+ (рис. 1.7, о). Если вход соединен с выход переключателя соединен с землей (рис. 1.7,6).

Если бы это был механический переключатель, можно было бы предположить, что он приводится в действие электромагнитом и возвращается в прежнее положение какой-то специальной пружиной. Из схемы видно, что состояние выхода всегда противоположно состоянию входа. Это и называется инвертированием сигнала.

Однако в микро-ЭВМ не применяются ни электромагниты, ни механические переключатели; для осуществления переключений в них Используются транзисторы. Типовая схема КМОП-инвертора вместе с соответствующим механическим аналогом приведена на рис. 1.8.

В схеме следует различать транзисторы р- и я-типов, действующие как переключатели. Затворы этих транзисторов соединены между собой, следовательно, когда один транзистор включен, другой должен быть выключен. Это так, поскольку, когда на вход схемы поступает сигнал U+, оба затвора получают этот сигнал, который включает п-канальный МОП-транзистор и выключает р-канальный МОП-транзистор, в результате чего выход схемы соединяется с землей (получает нулевой потенциал) через п-каиальный транзистор.

Когда оба затвора соединены с землей (получают нулевой потенциал), п-канальный транзистор выключается, а р-канальный включается. Таким образом, выход схемы соединяется с U+ через р-канальный транзистор.

На рис. 1.9 приведены для сравнения схемы инверторов на базе ТТЛ, р-МОП -транзисторов и п-МОП-транзисторов. В работе п-МОП-и р-МОП-инверторов можно разобраться, сравнивая их с КМОП-ин-

вертором. Попытаемся предельно упростить п-МОП- и р-МОП-ин-верторы до простейших переключающих схем и посмотрим, как они работают.

Схему р-МОП-инвертора можно рассматривать как ключ между входным полюсом U+ и выходом, связанным с землей через резистор. Когда иа вход схемы поступает сигнал О, ключ замыкает цепь, и на

И

3 и

S} ±

Выход

Рис. 1.9. Схемы инверторов иа базе: элементов ТТЛ (а); р-МОП-транзнсторов (нижний транзистор, поддерживаемый во включенном состоянии, играет роль небольшого сопротивления) (б); п-МОП-транзисторов (верхний транзистор, поддерживаемый во включенном состоянии, играет роль небольшого сопротивления) (в)

Вход О Ь Зшод1/+ BxaдU..

± а)

Вход 3 и

Выход О

р

ВыхаЭ

Рис. 1.10. Работа р-МОП-инвертора в качестве ключа

выходе появляется сигнал 1/+ (рис. 1.10, а). Если на входе схемы имеется сигнал (7+, ключ открыт, и выход оказывается связанным с землей через резистор (рис. 1.10,6). Если в цепи выхода тока совсем иет или протекает очень маленький ток (например, когда выход соединен с затвором другого канального транзистора), на выходе схемы будет нулевой потенциал. На рис. 1.10, е приведена соответствующая схема, в которой верхний р-МОП-транзистор играет роль ключа, а нижний, поддерживаемый во включенном состоянии, играет роль нагрузки.

Схему n-МОП-цнвертора на рие. 1 И можно рассматривать как ключ между землей и выходом, связанным через резистор с положительным полюсом источника питания {/+. Когда иа входе схемы имеется сигнал О, ключ открыт, и выход схемы соединен с полюсом U+ через резистор (рис. 1.11, а). Если в выходной цепи тока совсем нет или протекает очень небольшой ток, как в случае соединения выхода

о

Выход Щ Вход Щ

Выход О

3 BJ

Рис. 1.11. Работа п-МОП-инвертора в качестве ключа

с затвором другого канального транзистора, то потенциал на выходе схемы будет равен Если вход схемы соединен с U+, ключ закрыт и выход схемы соединен с землей.

На рис. 1.11, в приведена схема и-МОП-нивертора, в которой нижний транзистор играет роль ключа, коммутирующего выход при изменениях входного сигнала в соответствии со схемами на рис. 1.11,0 и б, а верхний транзистор, поддерживаемый во включением состоянии, играет роль нагрузки.

В схемах микро-ЭВМ используются переключатели любого нз трех рассмотренных типов, поскольку каждому из них присущи характерные для него преимущества и недостатки. Наиболее распрост-)аиенными в настоящее время являются и-МОП- и КМОП-схемы. 1ервые потребляют большую мощность, чем вторые, из-за резисторов, потребляющих энергию даже в том случае, когда на выходе схемы формируете нулевой сигнал. Вместе с тем КМОП-схемы потребляют существенно меньшую энергию, чем другие типы схем, поскольку сами переключатели не потребляют никакой энергии. Схемы на основе р-МОП-транзисторов наименее быстродействующие н поэтому используются реже.

После более подробного знакомства с различными устройствами микро-ЭВМ можно рассмотреть особенности их работы в терминах переключателей (инверторов), построенных на базе комплементарных МОП-структур, так что неискушенным в области электроники ие потребуется знакомство с работой каких-либо других компонентов схем, кроме рассмотренных переключателей. При желании можно самостоятельно убедиться в эквивалентности соответствующих п-МОП и р-МОП-структур.