Ternary logic elements based on standard CMOS
Как выясняется, идея применить в троичном вентиле нормально открытые МОП транзисторы уже достигла 21-го года.
Heung, A. Mouftah, H.T.
Depletion/enhancement CMOS for a lower power family of three-valued logic circuits
IEEE Journal of Solid-State Circuits, Apr 1985, Vol. 20, Issue 2, pp. 609-616
Abstract
A new family of ternary logic circuits that uses both depletion and enhancement types of
complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) transistors is presented. These circuits use
two power supplies, each below the transistor's threshold voltages, and do not include resistors.
Circuit designs of basic ternary operators (inverters, NAND, NOR) are described. These basic
ternary operators can be used as building blocks in the VLSI implementation of three-valued
digital systems. An example of the design of a ternary full adder using this family of logic circuits
is also presented.
Полные версии ...ac.il/~kushnero/ternary
Вполне естественно, что синтезировать внутреннюю структуру троичных логических КМОП элементов
можно по аналогии с бинарными, о чем свидетельствует информация на
http://trilog.narod.ru/index.htm
В этой работе предлагается ячейка троичного мультиплексора. Она, как и вторая схема на картинке,
является универсальным логическим элементом.
Исследование, представленное на
http://trilog.narod.ru/index.htm, является прототипом дальнейших разработок.
Для этого было бы неплохо составить альбом схем из него хорошего качества. Файл пояснительной записки
Tristate logic devices research:
http://depositfiles.com/files/322904
Koanantakool H.T.
Implementation of ternary identity cells using CMOS integrated circuits
IEE Electronics Letters, Vol. 14, No. 15, 20th July 1978, UK.
http://www.nectec.or.th/users/htk/publi ... index.html
Другие интересные варианты построения двоичных логических элементов
US6573758 Boerstler David, Carballo Juan, Montoye Robert
Fast symmetrical XOR/XNOR gate. IBM Co. 27 March 2003
US5889416, US6097222 Lovett Simon "Symmetrical NAND (NOR) gates"
Cypress Semiconductor Corp, 1999-2000
WO9839844 (US5861762) Sutherland Ivan "Inverse toggle XOR and XNOR circuit"
Sun Microsystems Inc. 19 Jan. 1999
US5334888 Bodas Milind "Fast exclusive-or and exclusive-nor gates"
Intel Corp. 2 Aug. 1994
US4233524 Burdick Edward "Multi-function logic circuit"
National Semiconductor 11 Nov. 1980
US3602732 Suzuki Yasoji "Exclusive AND/OR circuit device"
Tokyo Shibaura 31 Aug. 1971
SPICE-модель микросхемы CD4007 включая параметры транзисторов представлена несколькими источниками:
http://www.ee.umd.edu/newcomb/courses/s ... _model.pdf
http://www.csupomona.edu/~bolson/web_pa ... _spice.htm
http://pspicelib.narod.ru/02_download.html
Создание собственного компонента в MultiSim
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3173
Есть по крайней мере еще один вариант включения каскада из нормально-открытых МДП-транзисторов.
Здесь стоит вспомнить о том, что нормально-открытыми являются также транзисторы со статической индукцией (СИТ).
При подаче отрицательного смещения на затвор СИТ работает подобно ваккуумному триоду, что привлекает любителей
высококачественного аудио. Именно поэтому большинство (если не все) из выпускаемых СИТ - мощные приборы.
Тем не менее разработчиками (Nishizawa, Wilamowski) предложены несколько новых устройств, в частности СИТ
с изолированным затвором, а также сходная с И2Л цифровая схема с улучшенными параметрами:
http://www.eng.auburn.edu/~wilambm/pap/ ... 00_SID.pdf
Транзисторы со статической индукцией могут работать и в биполярном режиме (БСИТ) при положительном смещении.
Ключи на БСИТ имеют маленькое быстродействие вследствии избытка в структуре неосновных носителей заряда.
В русско-язычной литературе существует путаница - зачастую БСИТом называют IGBT, но это две большие разницы.
Отрицательно смещенный СИТ последовательно с нормально-закрытым МДП есть в транзисторе DMOS.
(см. Сhapter 9, M. Rashid "Power Electronics Handbook", 2001)
http://depositfiles.com/files/327639
Если уж речь зашла об И2Л и полевых транзисторах, можно вспомнить следующие патенты:
SU619066 (US4160918)
Nazarian A.R., Kremlev V.I., Kokin V.N., Manzha N.M.
Integrated logic circuit
SU633395 (US4175240)
Kremlev V.I., Nazarian A.R., Lubashevsky A.V, Kokin V.N.
Integrated logic circuit with a current source made as a field-effect transistor
Стандартные КМОП элементы могут отключать выход (высокоимпедансное состояние) при половине
напряжения питания на входе. Этому свойству посвящена следующая статья, в которой не упоминается
дополнительное условие - необходимо подбирать напряжение источника питания.
ELSAYED A. TALKHAN
New Capabilities of the CMOS Inverter
IEEE Journal of Solid-State Circuits, June 1988, Vol. 23, No3, pp. 872-875
Abstrаct
New capabilities of the CMOS inverter are introduced. These are based on the theory that for
Vtn = |Vtp| = 2/3 Vss, a third "high-impedance (HI)" valid logic state is created between the
ZERO and ONE states. By the generation of a "HALF" level ( = 1/2 Vсс), the inverter can be used
as a tristate inverter. Circuit techniques are given to propagate the HALF level. This enables the
general design of tertiary logic circuits and possibly tertiary arithmetic circuits. Two application.
examples are given. Illustrative experiments based on commercial IC's (4069) have been carried
out, and results are given that verify the theory. This should open the way for new digital circuits
and applications. Improvements on the "HALF" propagation are needed which, in addition to the
circuit level, may be thought of on the process and/or the device levels.
В этой статье не указан изготовитель инвертера 4069 (советского аналога нет), над которым ставился эксперимент.
Исходя из даты написания статьи следует, что эта микросхема скорей всего выпускалась по старой технологии.
Родоначальником КМОП цифровых схем является RCA с технологией COS/MOS
http://www.edn.com/index.asp?layout=art ... =CA6343247
Здесь, судя по всему, использовался инвертер фирмы Fairchild Semiconductor, поскольку только в её
документации есть гистерезис в проходной характеристике, который обнаружен в эксперименте.
http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-77.pdf
Другими словами, полученные результаты требуют проверки на современных, серийно выпускаемых КМОП чипах.
http://www.alldatasheet.com
http://www.datasheet4u.com
http://www.datasheetcatalog.com
В зависимости от реальных характеристик транзисторов характеристика инверторов может оказаться сдвинутой
относительно значения 0.5 Uпит. Это смещение особенно характерно для логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ
с несколькими входами. Положение характеристики многовходовых элементов зависит и от того, объединены
их входы или использован только один вход, а остальные подключены к плюсу, либо минусу питания.
Следует также подчеркнуть, что инвертор 4069 не имеет буфера на выходе, к чему приведет его наличие - непонятно.
По этому поводу есть документ
Understanding Buffered and Unbuffered CD4xxxB Series Device Characteristics
http://focus.ti.com/lit/an/scha004/scha004.pdf
Oтчет об испытаниях большого количества КМОП микросхем 11-ти фирм на предмет наличия выходного буфера
А.Белин, Е.Букварев, А.Гречихин
"К выбору логических элементов КМОП структуры для работы в активном режиме"
Радиолюбитель № 7, 1994
http://anklab.pirit.info/Press/RL/1994/ ... 40745.djvu
из которого следует, что наиболее "пригодны" микросхемы серии К561.
Номенклатура
стандартной серии КМОП достаточно обширна, однако многие элементы помимо буферов на выходе
содержат их и на входе. Допустим, использование ключа 4066 когда оба транзистора управляющих инверторов закрыты,
ограничено именно по этой причине. Это же относится к построению элементов на мультиплексорах, исключая CD4019.
Можно ожидать, что описанное в статье свойство есть у КМОП второго поколения
74Cxx фирмы Fairchild.
Изучения требует также вопрос о применимости микросхем программируемой логики.
Как известно, их номенклатура включает в себя так называемые fine-grain FPGA, такие
ПЛИС (Crosspoint Solution, Actel, Plessey, QuickLogic) можно программировать почти на
транзисторном уровне:
http://www.nt.tuwien.ac.at/uploads/media/chap1.pdf
Полезно почитать также об эффекте защелкивания в полупроводниковой КМОП структуре.
Он зачастую называется тиристорным из-за четырехслойного p-n-p-n "сэндвича", аналог
которого - схема из двух биполярных транзисторов. Прочие статьи более продвинуты.
Understanding Latch-Up in Advanced CMOS Logic
Fairchild Semiconductor, Application Note. April 1999
http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-600.pdf
In the loop of positive current feedback formed by the parasitic PNP and NPN transistors of the
latch-up structures, regenerative switching may result if sufficient loop gain is available.
One must remember, though, that three conditions are necessary for latch-up to occur.
1) both parasitic bipolars must be biased into the active state;
2) the product of the parasitic bipolar transistor current gains must be sufficient to allow
regeneration, i.e., greater than or equal to one;
3) the terminal network must be capable of supplying a current greater than the holding current
required by the PNPN path. In processes utilizing an epitaxial silicon, this current is usually ~ 1A.
Бибило П.Н.
Минимизация площади регулярных МОП-схем с последовательным соединением транзисторов
Микроэлектроника, 1995, № 6. cc. 408- 411
P. N. Bibilo
Logic Synthesis of Series-MOSFET Programmable Arrays
Russian Microelectronics, Vol. 31, No. 3, 2002, pp. 149–161.
Translated from Mikroelektronika, Vol. 31, No. 3, 2002, pp. 177–191.
http://www.springerlink.com/content/344 ... lltext.pdf
Hendrawan Soeleman and Kaushik Roy
Digital CMOS Logic Operation in the Sub-Threshold Region
Proceedings of the 10th Great Lakes symposium on VLSI, 2000, pp. 107 - 112
Abstract
In this paper, we focus on the ultra-low power end, one solution to achieve this requirement is to
operate the digital logic gates in sub-threshold region. In this paper, we analyze both CMOS and
pseudo-NMOS logic operating in sub-threshold region. We compare the results with CMOS in
normal strong inversion region and with other known low power logic, namely, energy recovery
logic. Results show energy switching reduction of two orders of magnitude from an 8x8 carry-save
array multiplier when it is operated in the sub-threshold region.
Toshiro Akino
High Speed and Low Energy Lateral BJT-CMOS Inverter
Proceedings of SASIMI2004, 2004
http://www.info.waka.kindai.ac.jp/~akin ... cation.htm
Abstract
A new operation mode for a partially depleted CMOS inverter on SOI is proposed, and a hybrid
lateral BJT-CMOS inverter circuit is designed and simulated. The scheme utilizes the gated lateral
npn or pnp BJT inherent of n- or p-channel MOSFETs. Forward current is applied to the base
terminal of the channel MOSFETs, with a normal pull-up or pull-down MOSFET as a current source,
where each drain terminal is connected to the corresponding base terminal of the inverter. A logic
scheme is also proposed to control the gates of the pull-up or pull-down MOSFETs in switching
states using output signals made from two CMOS inverters with different resistance ratios.
Литература
на русском:
http://zpostbox.chat.ru/az9.htm
http://www.rbtl.ru/wsap/posobie/Content.htm
Поспелов Д.А.
Арифметические основы вычислительных машин дискретного действия
М.: Высшая школа, 1970
http://depositfiles.com/files/325602
Валиев К. А., Кармазинский А.Н., Королев М. А.
Цифровые интегральные схемы на МДП-транзисторах
М.: Советское радио, 1971
Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И.
Микроэлектронные схемы цифровых устройств
М.: Сов. радио, 1975
Алексеенко А.Г., Шагурин И.И.
Микросхемотехника
М.: Радио и связь, 1982.
Кармазинский А.Н.
Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах
М.: Радио и связь, 1983
Зельдин Е.А.
Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре
Л.: Энергоатомиздат, 1986
Бибило П.Н., Енин С.В.
Синтез комбинационных схем методами функциональной декомпозиции
Минск: Наука и Техника, 1987
http://book.plib.ru/download/16930.html
Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н.
Справочник по цифровой схемотехнике
К.:Тэхника, 1990
http://rapidshare.de/files/36877096/Zub ... .djvu.html
Пухальский Г. И., Новосельцева Т. Я.
Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах
Справочник, М.: Радио и связь, 1990
http://rapidshare.de/files/36877454/Puk ... .djvu.html
Лобанов В.И.
Азбука разработчика цифровых устройств
Горячая линия - Телеком, 2000 г.
http://rapidshare.de/files/36880169/Lobanov.djvu.html
Е. Угрюмов "Цифровая схемотехника"
BHV, Санкт-Петербург 2000
http://rapidshare.de/files/29714435/EUgryumov.rar.html
Cтепаненко И.П.
Основы микроэлектроники
М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001
http://www.paid4load.de/index.php?show=getfile&id=17882
Джон Ф.Уэйкерли "Проектирование цифровых устройств"
ПостМаркет, Москва 2002
http://rapidshare.de/files/14856898/wakerly.djvu.html
на английском:
http://users.encs.concordia.ca/~kasiar/ ... _2006.html
http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs15 ... lendar.htm
Amar Mukherjee
Introduction to n-MOS and CMOS VLSI Systems Design
Prentice-Hall, 1986
http://rapidshare.de/files/37146738/Int ... R.pdf.html
Kenneth J. Breeding
Digital Design Fundamentals
Second Edition. Prentice Hall, 1992
http://rapidshare.de/files/36627310/DDF ... R.pdf.html
John F. Wakerly "Digital Design Principles and Practices"
Third Edition. Prentice Hall, 1999
http://rapidshare.de/files/36881292/Wak ... R.pdf.html
Stephen Brown and Zvonko Vranesic
Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design
Second Edition. McGraw-Hill, 2005
http://rapidshare.de/files/36887268/Fun ... R.pdf.html
Программы минимизации булевых функций
http://miraj.net.ru/programs.html
http://isttu.irk.ru/mbf/index.php
http://karnaugh.shuriksoft.com