ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ВЫХОДНОЙ МДП-ИНВЕРТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L27/04 

Изобретение относится к интегральной электронике в применении к цифровым схемам.

Широко известны инверторы на МДП-транзисторах (Кроуфорд Р. Схемные применения МОП-транзисторов. М. : Мир, 1970, с. 127, рис. 5.1). Такие устройства выполняются на двух МДП-транзисторах с индуцированнным каналом, причем один МДП-тразистор является управляемым, а другой - нагрузочным (включается в цепь стока управляемого МДП-транзистора). В одном варианте подложка нагрузочного МДП-транзистора соединяется с его истоком и со стоком управляемого МДП-транзистора, а в другом - с общей шиной.

Известен также интегральный МДП-инвертор (авт. св. СССР N 986241, кл. Н 01 L 27/04, 1982), содержащий полупроводниковую подложку типа проводимости, в которой сформирован пороговый элемент и ключевой элемент, содержащий три диффузионные области второго типа проводимости, между которыми расположены два изолированных затвора, причем одна из крайних областей соединена с ближайшим затвором и источником питания, а другая, крайняя область, соединена с подложкой.

Недостатком аналогов является низкое значение логического перепада выходных напряжений и относительно большое выходное сопротивление.

Наиболее близким техническим решением является интегральный выходной МДП-инвертор (Алексенко А. Г. , Шагурин И. И. Микросхемотехника/М. ; Радио и связь, 1982, с. 92, рис. 2.34), содержащий четыре МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, затвор и сток первого из которых подключен к клемме источника питания и стоку второго МДП-транзистора, исток и подложка которого подключены к выходной клемме и стоку четвертого МДП-транзистора, исток и подложка которого подключены к общей шине и к истоку с подложкой третьего МДП-транзистора, затвор которого подключен к затвору четвертого МДП-транзистора и входной клемме, а сток - к истоку с подложкой первого МДП-транзистора и затвору второго МДП-транзистора. Такой инвертор имеет относительно низкое значение логической единицы на выходе устройства U_вых¹ и большое выходное сопротивление, что затрудняет его эффективную работу при наличии емкостной нагрузки. Эти факторы и являются основными недостатками прототипа.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет согласования с нагрузкой, особенно емкостной, при этом требуемый технический результат достигается за счет повышения логического перепада выходного напряжения (при постоянном напряжении источника питания Е_п) и снижения выходного сопротивления устройства в интегральном выходном МДП-инверторе, содержащем четыре МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, затвор и сток первого из которых подключены к клемме источника питания и стоку второго МДП-транзистора, затвор которого подключен к истоку первого МДП-транзистора и стоку третьего МДП-транзистора, затвор которого подключен к входной клемме и затвору четвертого МДП-транзистора, исток которого подключен к общей шине, а сток - к истоку второго МДП-транзистора и выходной клемме устройства, за счет того, что затвор второго МДП-транзистора соединен со своей подложкой, а исток третьего МДП-транзистора подключен к подложке четвертого МДП-транзистора.

За счет поступления управляющих сигналов не только на затворы, но и на подложки второго и четвертого МДП-транзисторов в них реализуется параллельное включение самих МДП-транзисторов и биполярных n-p-n-транзисторов, входящих в их структуры. Малые остаточные напряжения и сопротивления биполярных транзисторов позволяют увеличить логический перепад выходного напряжения и снизить выходное сопротивление устройства, чем и достигается улучшение согласования с нагрузкой.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема интегрального выходного МДП-инвертора, содержащая четыре МДП-транзистора с индукцированным n-каналом 1, 2, 3 и 4. Затвор и сток МДП-транзистора 1 подключены к стоку МДП-транзистора 2 и клемме источника питания. Входная клемма подключена к затворам МДП-транзисторов 3 и 4. Исток МДП-транзистора 1 подключен к затвору и подложке МДП-транзистора 2 и стоку МДП-транзистора 3, исток которого подключен к подложке МДП-транзистора 4. Исток МДП-транзистора 2 подключен к выходной клемме и стоку МДП-транзистора 4, исток которого подключен к общей шине. Подложки МДП-транзисторов 1 и 3 в зависимости от конкретных технических требований могут быть соединены со своими истоками или подключены к общей шине.

На фиг. 2 приведена конкретная реализация интегрального выходного МДП-инвертора и обозначено: полупроводниковая подложка n-типа 5, диэлектрик 6, диффузионные области p-типа 7, 8 и 9, диффузионные области n-типа 10 - 16, изолированные затворы 17 - 20. Области 10 и 11 с изолированным затвором 17 образуют МДП-транзистор 1, области 11 и 12 с изолированным затвором 18 образуют МДП-транзистор 3, области 13 и 14 с изолированным затвором 19 образуют МДП-транзистор 4, а области 15 и 16 с изолированным затвором 20 образуют МДП-транзистор 2.

Устройство работает следующим образом. При наличии на входной клемме сигнала логического нуля U_вх⁰ ≈0 МДП-транзисторы 3 и 4 закрыты. При этом на истоке МДП-транзистора 1 будет присутствовать напряжение, равное Е_п - U₀₁, где U₀₁ - пороговое напряжение МДП-транзистора 1. Это напряжение поступает не только на затвор, но и на подложку МДП-транзистора 2. В результате МДП-транзистор 2 выполняет также функцию биполярного n-p-n-транзистора, базой которого является его подложка, коллектором - сток, а эмиттером - исток. Таким образом МДП-транзистор 2 совместно с МДП-транзистором 4 образует как истоковый, так и (параллельно включенный) эмиттерный повторители (с динамической нагрузкой). Это обстоятельство и приводит к практическому повторению на выходной клемме напряжения (Е_п - U₀₁) и уменьшению (относительно прототипа) выходного сопротивления устройства.

При поступлении на входную клемму положительного напряжения логической единицы U_вх¹ МДП-транзисторы 3 и 4 открываются. При этом напряжение на истоке МДП-транзистора 1 резко снижается, что приводит к закрыванию МДП-транзистора 2. Поскольку исток МДП-транзистора 3 подключен к подложке МДП-транзистора 4, то МДП-транзистор 3 совместно с биполярным n-p-n-транзистором, входящим в структуру МДП-транзистора 4, образуют составной транзистор, входным элементом которого является МДП-транзистор 3, а выходным - биполярный транзистор 4. Поскольку сопротивление форсированно открытого биполярного транзистора (входящего в структуру МДП-транзистора 4) мало, то в этом режиме будет иметь место выходное напряжение U_вых⁰≈0 и малое выходное сопротивление устройства.

Снижение выходного сопротивления устройства позволяет успешно работать при наличии емкостной нагрузки (что обычно имеет место для выходных устройств), поскольку будет осуществляться ее быстрый перезаряд через малое R_вых. Это является основным преимуществом заявляемого устройства, позволяющим существенно повысить его быстродействие. Кроме того, увеличение логического перепада на выходе (за счет повышения U_вых¹ и снижения U_вых⁰) приводит к повышению помехозащищенности.

Экспериментальная проверка выходного МДП-инвертора была проведена на дискретных МДП-транзисторах КР350, КП902 и лабораторных образцах. В отличие от прототипа заявляемое устройство позволило получить больший логический перепад на выходе ΔU_вых и меньшее выходное сопротивление. Так, при Е_п = 12 В в прототипе ΔU_вых≈8 В и R_вых ≈1 кОм, а в заявляемом устройстве ΔU_вых≈10 В и R_вых ≈30 Ом.

Использование: изобретение относится к интегральной электронике в применении к цифровым схемам. Сущность изобретения: инвертор содержит четыре МДП-транзистора с индуцированным n-каналом. Затвор и сток первого транзистора подключены к клемме источника питания и стоку второго транзистора, затвор которого подключен к истоку первого МДП-транзистора и стоку третьего МДП-транзистора, затвор которого подключен к входной клемме и затвору четвертого транзистора, исток которого подключен к общей шине, а сток - к истоку второго транзистора и выходной клемме устройства. Затвор второго транзистора соединен со своей подложкой, а исток третьего транзистора подключен к подложке четвертого транзистора. 2 ил.

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ВЫХОДНОЙ МДП-ИНВЕРТОР, содержащий четыре МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, расположенным в p-подложке, затвор и сток первого из которых подключены к клемме источника питания и стоку второго МДП-транзистора, затвор которого подключен к истоку первого МДП-транзистора и стоку третьего МДП-транзистора, затвор которого подключен к входной клемме и затвору четвертого МДП-транзистора, исток которого подключен к общей шине, а сток - к истоку второго МДП-транзистора и выходной клемме устройства, отличающийся тем, что затвор второго МДП-транзистора соединен со своей подложкой, а исток третьего МДП-транзистора подключен к подложке четвертого МДП-транзистора.