Триггерный логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах Российский патент 2022 года по МПК H03K19/94 H03K19/20 

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 трёхвходового 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 приведённого 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 ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах.

Это достигается тем, что в триггерный логический элемент ИЛИ/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 ИЛИ/ИЛИ-НЕ, также имеются третий и четвёртый полевые транзисторы, но с индуцированными p-каналами, подложка каждого из них соединена с истоком, введены восемь резисторов и два дополнительных полевых транзистора, последовательно между собой включены первый резистор, первый дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и второй резистор, свободный вывод первого резистора подсоединён к выходу источника питания (плюсовой вывод), общий вывод первого резистора и стока первого дополнительного транзистора подключён к общему выводу стоков первого и второго транзисторов, подложка первого дополнительного транзистора соединена с его истоком, а затвор - со стоком третьего транзистора, свободный вывод второго резистора подключен к неинвертирующему выходу логического элемента, третий резистор включён между общим выводом первого резистора и выхода источника питания и общим выводом истока третьего транзистора и его подложки, четвёртый резистор включён между общим выводом затвора первого дополнительного транзистора и стока третьего транзистора и общим выводом второго резистора и неинвертирующего выхода логического элемента, общий вывод истока четвёртого транзистора и его подложки соединён с общим выводом третьего резистора истока и подложки третьего транзистора, пятый резистор включён между стоком четвёртого транзистора и инвертирующим выходом логического элемента, последовательно между собой включены шестой резистор, второй дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и седьмой резистор, свободный вывод шестого резистора подсоединён к общему выводу первого, третьего резисторов и выхода источника питания, общий вывод шестого резистора и стока второго дополнительного транзистора соединён с затвором четвёртого транзистора, затвор второго дополнительного транзистора подключён к общему выводу пятого резистора и стока четвёртого транзистора, подложка второго дополнительного транзистора соединена с общим выводом его истока и седьмого резистора, свободный вывод седьмого резистора подсоединён к общему выводу пятого резистора и инвертирующего выхода логического элемента, восьмой резистор включен между «землёй» и общим выводом шестого резистора, затвора четвёртого транзистора и стока второго дополнительного транзистора.

Сущность изобретения поясняется схемой логического элемента ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах (фиг. 1) и таблицей истинности (фиг. 2).

В триггерном логическом элементе ИЛИ/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 ИЛИ/ИЛИ-НЕ. Между собой последовательно включены резистор 4, полевой транзистор 5 с индуцированным каналом n-типа и резистор 6. Свободный вывод резистора 4 подсоединён к выходу (плюсовой вывод) источника 1 питающего постоянного напряжения. Подложка транзистора 5 соединена с общим выводом его истока и резистора 6. Сток этого транзистора подключён к общему выводу стоков транзистор 2, 3 и резистора 4. Свободный вывод резистора 6 соединён с неинвертирующим выходом логического элемента. Также последовательно между собой включены резистор 7, полевой транзистор 8 с индуцированным каналом p-типа и резистор 9. Свободный вывод резистора 7 подключен к общему выводу резистора 4 и выхода источника 1 питающего постоянного напряжения. Общий вывод резистора 7 и истока транзистора 8 подсоединён к подложке этого транзистора. Затвор транзистора 8 подключен к общему выводу резистора 4 и стоков транзисторов 2, 3 и 5. Свободный вывод резистора 9 подключен к общему выводу резистора 6 неинвертирующего выхода логического элемента.

Последовательно включены полевой транзистор 10 с индуцированным каналом p-типа и резистор 11. Исток и подложка этого транзистора подсоединены к общему выводу резистора 7 и истока и подложки транзистора 8. Свободный вывод резистора 11 соединён с инвертирующим выходом логического элемента . Также последовательно включены резистор 12, полевой транзистор 13 с индуцированным каналом n-типа и резистор 14. Свободный вывод резистора 12 подсоединён к общему выводу резисторов 4, 7 и выхода источника 1 напряжения. Общий вывод резистора 12 и стока транзистора 13 подключён к затвору транзистора 10. Затвор транзистора 13 соединён с общим выводом стока транзистора 10 и резистора 11. Подложка транзистора 13 подключена к общему выводу его истока и резистора 14. Свободный вывод резистора 14 подсоединена к общему выводу резистора 11 и инвертирующего выхода логического элемента . Резистор 15 включен между «землёй» и общим выводом резистора 12, затвора транзистора 10 и стока транзистора 13.

Для наглядности на фиг. 1 пунктирными линиями показано подключение внешних нагрузок к инвертирующему выходу логического элемента и к неинвертирующему выходу . Часть схемы на транзисторах 5, 8 и резисторах 4, 6, 7 и 9 является первым триггером на полевых транзисторах противоположного типа проводимости, а на транзисторах 10, 13 - вторым таким триггером. Резистор 7 для обоих триггеров является общим.

Триггерный логический элемент ИЛИ/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 четырёх вольт). Работа двухвходового логического элемента ИЛИ/ИЛИ-НЕ отображается известной таблицей (Фиг. 2), где N - номер строки по порядку, и - условное отображение входных сигналов, и - условное отображение сигналов на неинвертирующем и инвертирующем выходах логического элемента.

Первая строка таблицы истинности (фиг. 2) соответствует тому, что на двух входах , имеется уровень логического нуля (низкий уровень напряжения). Он в районе порогового напряжения и полевого транзистора 2, и транзистора 3, они не проводят электрический ток и не влияют на состояние триггера на транзисторах (5, 8) противоположного типа проводимости. Первое (условное) состояние этого триггера соответствует закрытому состоянию обоих транзисторов и нулевым значениям силы электрического тока через них. Такой ток определяет нулевые значения напряжения в том числе на резисторах 4 и 9. Эти напряжения приложены к затворам транзисторов 5 и 8, меньше по абсолютной величине пороговых напряжений этих транзисторов и поддерживают их в закрытом состоянии. Во втором (условно) состоянии транзисторы 5, 8 триггера открыты, их электрические токи создают в том числе на резисторах 4, 9 значения напряжений по абсолютной величине превышающие пороговые напряжения транзисторов и тем самым поддерживают их в открытом состоянии. Обсуждаемый триггер переходит из первого состояния во второе и наоборот, если значения управляющих напряжений превысят пороговые напряжения триггера на транзисторах 5 и 8.

Аналогично первому триггеру на транзисторах 5, 8 противоположного типа проводимости работает второй такой триггер на транзисторах 10 и 13. Значение сопротивления резистора 15 может обеспечить на резисторе 12 значение напряжения, по абсолютной величине превышающее пороговое напряжение второго триггера и обеспечивать его второе состояние. Тогда электрические токи транзисторов 10, 13 обеспечивают на инвертирующем выходе логического элемента и на внешней нагрузке уровень логической единицы (высокий уровень напряжения) (фиг. 2). Электрический ток транзистора 10 создаёт напряжение на резисторе 7, которое через резистор 4 плюсом приложено к затвору транзистора 8, поддерживает его закрытое состояние и первое состояние первого триггера на транзисторах противоположного типа проводимости. Тогда на неинвертирующем выходе и на внешней нагрузке имеется уровень логического нуля (низкий уровень напряжения) (фиг. 2).

В соответствии со 2, 3 и 4 строками таблицы на фиг. 2 на один из входов или на оба входа , поступает высокий уровень напряжения. Он создаёт в одном или обоих транзисторах 2, 3 повышенную силу электрического тока, которая создаёт на резисторе 4 повышенное значение напряжения, превышающее по абсолютной величине порог срабатывания триггера на транзисторах 5, 8 и переводит его во второе состояние с учётом наличия делителя на резисторах 12, 15 и резистора 7 общего для истоков транзисторов 8 и 10. Электрические токи транзисторов 5, 8 обеспечивают на неинвертирующем выходе логического элемента и на внешней нагрузке высокий уровень напряжения уровень логической единицы. Электрический ток транзистора 8 создаёт на резисторе 7 напряжение, которое через резистор 12 плюсом приложено к затвору транзистора 13 и по абсолютной величине должно быть достаточным для перевода триггера на транзисторах 10, 13 в первое состояние. Тогда на инвертирующем выходе логического элемента и на внешней нагрузке имеется низкий уровень напряжения уровень логического нуля (фиг. 2).

Таким образом, в триггерном логическом элементе ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах сила электрического тока внешней нагрузке и на неинвертирующем, и на инвертирующем выходах равна сумме силы токов не одного, а двух транзисторов, что повышает его нагрузочную способность.

Изобретение относится к цифровой схемотехнике, автоматике и промышленной электронике и, в частности, может быть использовано в блоках вычислительной техники, построенных на логических элементах. Техническим результатом изобретения является повышение нагрузочной способности триггерного логического элемента ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах. Триггерный логический элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах содержит параллельно соединённые два полевых транзистора с индуцированными каналами n-типа, третий и четвёртый полевые транзисторы с индуцированными p-каналами, два дополнительных полевых транзистора, восемь резисторов и источник питающего постоянного напряжения. 2 ил.

Триггерный логический элемент ИЛИ/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 ИЛИ/ИЛИ-НЕ, также имеются третий и четвёртый полевые транзисторы, но с индуцированными p-каналами, подложка каждого из них соединена с истоком, отличающийся тем, что в него введены восемь резисторов и два дополнительных полевых транзистора, последовательно между собой включены первый резистор, первый дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и второй резистор, свободный вывод первого резистора подсоединён к выходу источника питания (плюсовой вывод), общий вывод первого резистора и стока первого дополнительного транзистора подключён к общему выводу стоков первого и второго транзисторов, подложка первого дополнительного транзистора соединена с его истоком, а затвор - со стоком третьего транзистора, свободный вывод второго резистора подключен к неинвертирующему выходу логического элемента, третий резистор включён между общим выводом первого резистора и выхода источника питания и общим выводом истока третьего транзистора и его подложки, четвёртый резистор включён между общим выводом затвора первого дополнительного транзистора и стока третьего транзистора и общим выводом второго резистора и неинвертирующего выхода логического элемента, общий вывод истока четвёртого транзистора и его подложки соединён с общим выводом третьего резистора истока и подложки третьего транзистора, пятый резистор включён между стоком четвёртого транзистора и инвертирующим выходом логического элемента, последовательно между собой включены шестой резистор, второй дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и седьмой резистор, свободный вывод шестого резистора подсоединён к общему выводу первого, третьего резисторов и выхода источника питания, общий вывод шестого резистора и стока второго дополнительного транзистора соединён с затвором четвёртого транзистора, затвор второго дополнительного транзистора подключён к общему выводу пятого резистора и стока четвёртого транзистора, подложка второго дополнительного транзистора соединена с общим выводом его истока и седьмого резистора, свободный вывод седьмого резистора подсоединён к общему выводу пятого резистора и инвертирующего выхода логического элемента, восьмой резистор включен между «землёй» и общим выводом шестого резистора, затвора четвёртого транзистора и стока второго дополнительного транзистора.