ТРИГГЕРНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И-НЕ/ИЛИ-НЕ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Российский патент 2021 года по МПК H03K19/94 

Изобретение относится к цифровой схемотехнике, автоматике и промышленной электронике. Оно, в частности, может быть использовано в блоках вычислительной техники, построенных на логических элементах.

Известен логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ [Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 342, рис. 14.23], содержащий шесть транзисторов, пять резисторов и два источника постоянного напряжения. Схема его имеет два выхода, один из них для реализации логической операции ИЛИ, другой - для операции ИЛИ-НЕ.

Недостаток его заключается в малой нагрузочной способности. Электрический ток только одного из шести транзисторов формирует ток внешней нагрузки. Если бы удалось увеличить число транзисторов, формирующих электрический ток внешней нагрузки, то это бы привело к увеличению максимальной силы электрического тока нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности.

Наиболее близкая по технической сущности является выбранная в качестве прототипа часть схемы трехвходового логического элемента ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 610, рис. 8.14 в], представляющая собой двухвходовой логический элемент ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах, содержащая четыре полевых транзистора и источник питающего постоянного напряжения. Структура приведенного логического элемента является простой - с добавлением каждого последующего входа (3, 4, …) добавляется один полевой транзистор в их параллельное включение и один полевой транзистор в их ярусное включение, поэтому выделить двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ не представляется трудным. Для этого следует удалить один полевой транзистор из параллельного их соединения и связанный с ним один полевой транзистор из ярусного включения транзисторов.

Недостаток прототипа заключается в том, что у него малая нагрузочная способность, так как сила электрического тока внешней нагрузки определяется силой электрического тока одного полевого транзистора. В ярусной части схемы полевые транзисторы включены последовательно, тогда сила электрического тока одного транзистора равна силе электрического тока другого транзистора, а эквивалентная сила электрического тока по существу равна силе электрического тока одного транзистора. И этот ток замыкается на внешнюю нагрузку. Если бы удалось получить, что сила электрического тока нагрузки равнялась сумме силы электрических токов первого и второго транзисторов, то это повысило бы нагрузочную способность логического элемента.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении нагрузочной способности триггерного логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах.

Это достигается тем, что в триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах, содержащий источник питающего постоянного напряжения, общая шина (минусовой вывод) которого заземлена, параллельно соединенные два полевых транзистора с индуцированными каналами n-типа, истоки и подложки которых заземлены, а выводы затворов образуют первый и второй входы относительно «земли» логического элемента для реализации операции ИЛИ-НЕ, также имеется третий полевой транзистор, но с индуцированным p-каналом, подложка которого соединена с истоком, введены пять резисторов и три дополнительных полевых транзистора, последовательно между собой включены первый и второй дополнительные транзисторы с индуцированными каналами n-типа, сток первого дополнительного транзистора подсоединен к общему выводу стоков первого и второго полевых транзисторов, выводы затворов образуют относительно «земли» первый и второй входы для реализации логической операции И-НЕ, подложки обоих транзисторов и исток второго дополнительного транзистора заземлены, последовательно между собой включены первый резистор, третий полевой транзистор и второй резистор, свободный вывод первого резистора подсоединен к выходу источника питания (плюсовой вывод), общий вывод первого резистора, истока и подложки третьего полевого транзистора подключен к общему выводу стоков первого, второго и первого дополнительного транзисторов, свободный вывод второго резистора соединен с выводом инвертирующего выхода логического элемента, последовательно между собой включены третий резистор, третий дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и четвертый резистор, свободный вывод третьего резистора подсоединен к общему выводу первого резистора и выхода источника питания, общий вывод третьего резистора и стока третьего дополнительного полевого транзистора соединен с затвором третьего транзистора, затвор третьего дополнительного транзистора подключен к общему выводу второго резистора и стока третьего транзистора, подложка третьего дополнительного транзистора соединена с общим выводом его истока и четвертого резистора, свободный вывод четвертого резистора подсоединен к общему выводу второго резистора и инвертирующего выхода логического элемента, пятый резистор включен между «землей» и общим выводом третьего резистора, затвора третьего полевого транзистора и стока третьего дополнительного транзистора.

Сущность изобретения поясняется схемой логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах, таблицей истинности (фиг. 2) для реализации логической операции И-НЕ и таблицей истинности (фиг. 3) для реализации операции ИЛИ-НЕ.

В триггерном логическом элементе И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах общая шина (вывод отрицательной полярности) источника 1 питающего постоянного напряжения заземлена. Между собой параллельно включены полевые транзисторы 2, 3 с индуцированными каналами n-типа. Истоки обоих полевых транзисторов и их подложки заземлены, а выводы затворов образуют первый и второй входы относительно «земли» логического элемента для реализации логической операции ИЛИ-НЕ. Между собой последовательно включены полевые транзисторы 4, 5 с индуцированными каналами n-типа. Сток транзистора 4 подсоединен к общему выводу стоков транзисторов 2, 3. Выводы затворов этих двух транзисторов образуют первый и второй входы относительно «земли» для реализации операции И-НЕ. Подложки их исток транзистора 5 заземлены.

Последовательно между собой включены резистор 6, полевой транзистор 7 с индуцированным каналом p-типа и резистор 8. Свободный вывод резистора 6 подключен к выходу (плюсовой вывод) источника 1 питающего постоянного напряжения. Общий вывод резистора 6 и истока транзистора 7 подсоединен к подложке этого транзистора и их общий вывод подключен к общему выводу стоков транзисторов 2, 3 и 4. Свободный вывод резистора 8 подключен к выводу инвертирующего выхода логического элемента.

Последовательно включены резистор 9, полевой транзистор 10 с индуцированным каналом n-типа и резистор 11. Свободный вывод резистора 9 подсоединен к общему выводу резистора 6 и выхода источника 1 напряжения. Общий вывод резистора 9 и стока транзистора 10 подключен к затвору транзистора 7. Затвор транзистора 10 соединен с общим выводом стока транзистора 7 и резистора 8. Подложка транзистора 10 подключена к общему выводу его истока и резистора 11. Свободный вывод резистора 11 подсоединен к общему выводу резистора 8 и инвертирующего выхода логического элемента . Резистор 12 включен между «землей» и общим выводом резистора 9, затвора транзистора 7 и стока транзистора 10.

Для наглядности на фиг. 1 пунктирными линиями показано подключение внешней нагрузки к инвертирующему выходу логического элемента. Часть схемы на транзисторах 7, 10 и резисторах 6, 8, 9 и 11 является триггером на полевых транзисторах противоположного типа проводимости.

Триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах работает следующим образом. В цифровой электронике используются входные и выходные электрические сигналы с низким и высоким уровнем напряжения. Низкий уровень - уровень логического нуля соответствует значениям напряжения в районе нуля (ближе к нулю), высокий уровень - уровень логической единицы соответствует значениям напряжения в районе единиц вольт (нередко в районе четырех вольт).

Триггер на полевых транзисторах 7, 10 противоположного типа проводимости имеет два состояния равновесия. В первом (условно) состоянии оба полевых транзистора закрыты и не проводят электрический ток. Тогда в том числе на резисторах 8, 9 нулевые значения напряжения. Они прикладываются к затворам транзисторов 7, 10 меньше пороговых напряжений этих транзисторов по абсолютной величине и в итоге поддерживают эти транзисторы в закрытом состоянии. Во втором (условно) состоянии полевые транзисторы 7, 10 открыты, их электрические токи создают напряжения в том числе на резисторах 8 и 9 больше по абсолютной величине и по значениям пороговых напряжений полевых транзисторов и поддерживают полевые транзисторы 7, 10 в открытом состоянии. Триггер на полевых транзисторах противоположного типа проводимости, как и другие распространенные триггеры, переходит из первого состояния во второе и наоборот, когда управляющие входные напряжения по своим значениям превышают значения напряжений соответствующих порогов срабатывания триггера.

Работа логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ отражается таблицей истинности для логической операции И-НЕ при X₁=X₂=0 (фиг. 2) и таблицей истинности для операции ИЛИ-НЕ при х₁=х₂=0 (фиг. 3), где х₁, х₂, X₁ и X₂ - условное отображение входного сигнала логического элемента, - условное отображение выходного сигнала и N - номер строки по порядку. Обратимся к таблице истинности на фиг. 2. На входы X₁ и X₂ здесь подаются напряжения уровня логического нуля. Тогда состояние полевых транзисторов 2 и 3 в худшем случае находится в районе порогового напряжения, сила электрических токов этих транзисторов мала, напряжение на резисторе 6 мало по абсолютной величине и не влияет на состояние триггера на транзисторах 7, 10. В соответствии с первыми тремя строками таблицы истинности на фиг. 2. на один или оба входа х₁, х₂ логического элемента поступает напряжение уровня логического нуля. Тогда сила электрического тока через последовательно включенные полевые транзисторы 4, 5 весьма мала, напряжение на резисторе 6 от этого тока тоже мало и не влияет на состояние триггера на транзисторах противоположного типа проводимости 7 и 10. За счет делителя на резисторах 9, 12 на резисторе 9 и на затворе полевого транзистора 7 имеется возможность получить напряжение достаточное для перевода триггера на транзисторах 7, 10 во второе состояние. Электрические токи двух транзисторов 7 и 10 создают на выходе логического элемента - и на внешней нагрузке повышенное напряжение уровня логической единицы.

В соответствии с четвертой строкой таблицы истинности на фиг. 2 на оба входа х₁ и х₂ логического элемента и соответственно на затворы транзисторов 4, 5 поступает высокие уровни напряжения - уровни логической единицы. Сила электрического тока через последовательно включенные полевые транзисторы 4, 5 и соответственно через резистор 6 имеет повышенное значение. От этого тока напряжение на резисторе 6 через резистор 9 плюсом приложено к затвору транзистора 7 и имеет настолько повышенное значение, что переводит триггер на полевых транзисторах 7, 10 противоположного типа проводимости в первое состояние с учетом наличия делителя напряжения на резисторах 9, 12. Тогда на выходе логического элемента и на внешней нагрузке имеется низкий уровень напряжения - уровень логического нуля.

Далее обратимся к таблице истинности на фиг. 3. На входы х₁, х₂ здесь подаются напряжения уровня логического нуля. Тогда сила тока через полевые транзисторы 4, 5 и резистор 6 весьма мала. Напряжение на последнем резисторе 6 тоже мало и не влияет на состояние триггера на полевых транзисторах 7, 10. В соответствии с первой строкой таблицы истинности на фиг. 3 на оба входа X₁ и X₂ и соответственно затворы транзисторов 2, 3 подаются напряжения уровня логического нуля. Тогда состояние полевых транзисторов 2, 3 в худшем случае находятся в районе порогового напряжения, сила токов этих транзисторов мала, напряжение на резисторе 6 мало и не влияет на состояние триггера на полевых транзисторах 7, 10. Напряжение на резисторе 9 от делителя на резисторах 9, 12 поддерживает триггер на полевых транзисторах 7, 10 во втором состоянии и на выходе логического элемента и на внешней нагрузке от электрических токов двух полевых транзисторов 7 и 10 имеется высокий уровень напряжения - уровень логической единицы.

В соответствии со 2, 3 и 4-й строками таблицы истинности на фиг. 3 на затворы одного из транзисторов 2, 3 или на оба подается напряжение уровня логической единицы и сила тока этих транзисторов возрастает. Соответственно возрастает напряжение на резисторе 6, превышает напряжение порога срабатывания триггера на полевых транзисторах 7, 10 с учетом наличия делителя на резисторах 9, 12 и переводит этот триггер в первое состояние. Тогда на выходе и на внешней нагрузке логического элемента имеется низкий уровень напряжения - уровень логического нуля.

Таким образом, в триггерном логическом элементе И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах сила электрического тока внешней нагрузки равна сумме силы токов двух транзисторов (7 и 10), что повышает нагрузочную способность этого логического элемента. В прототипе электрический ток нагрузки формирует только один из имеющихся полевых транзисторов.

Изобретение относится к цифровой схемотехнике, автоматике и промышленной электронике. Технический результат: повышение нагрузочной способности триггерного логического элемента И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах. Сущность: триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах содержит шесть полевых транзисторов, пять резисторов и источник питающего постоянного напряжения. Предложенное соединение элементов обеспечивает силу тока внешней нагрузки равной сумме токов двух транзисторов (7 и 10), что обеспечивает достижение указанного результата. 3 ил.

Триггерный логический элемент И-НЕ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах, содержащий источник питающего постоянного напряжения, общая шина (минусовой вывод) которого заземлена, параллельно соединённые два полевых транзистора с индуцированными каналами n-типа, истоки и подложки которых заземлены, а выводы затворов образуют первый и второй входы относительно «земли» логического элемента для реализации операции ИЛИ-НЕ, также имеется третий полевой транзистор, но с индуцированным p-каналом, подложка которого соединена с истоком, отличающийся тем, что в него введены пять резисторов и три дополнительных полевых транзистора, последовательно между собой включены первый и второй дополнительные транзисторы с индуцированными каналами n-типа, сток первого дополнительного транзистора подсоединён к общему выводу стоков первого и второго полевых транзисторов, выводы затворов образуют относительно «земли» первый и второй входы для реализации логической операции И-НЕ, подложки обоих транзисторов и исток второго дополнительного транзистора заземлены, последовательно между собой включены первый резистор, третий полевой транзистор и второй резистор, свободный вывод первого резистора подсоединён к выходу источника питания (плюсовой вывод), общий вывод первого резистора, истока и подложки третьего полевого транзистора подключён к общему выводу стоков первого, второго и первого дополнительного транзисторов, свободный вывод второго резистора соединён с выводом инвертирующего выхода логического элемента, последовательно между собой включены третий резистор, третий дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и четвёртый резистор, свободный вывод третьего резистора подсоединён к общему выводу первого резистора и выхода источника питания, общий вывод третьего резистора и стока третьего дополнительного полевого транзистора соединён с затвором третьего транзистора, затвор третьего дополнительного транзистора подключён к общему выводу второго резистора и стока третьего транзистора, подложка третьего дополнительного транзистора соединена с общим выводом его истока и четвёртого резистора, свободный вывод четвёртого резистора подсоединён к общему выводу второго резистора и инвертирующего выхода логического элемента, пятый резистор включён между «землёй» и общим выводом третьего резистора, затвора третьего полевого транзистора и стока третьего дополнительного транзистора.