Триггерный логический элемент И-НЕ на полевых транзисторах
TRIGGER LOGIC ELEMENT NAND ON FIELD TRANSISTORS

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 И-НЕ [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 593, рис. 8.5, а], содержащий четыре транзистора, четыре резистора, диод и источник питающего постоянного напряжения.
Недостаток его заключается в малой нагрузочной способности. Электрический ток только одного из четырёх транзисторов формирует ток внешней нагрузки. Если бы удалось в общем количестве имеющихся транзисторов увеличить их число, формирующих электрический ток внешней нагрузки, то это привело бы к увеличению максимальной силы электрического тока нагрузки логического элемента и в результате к повышению нагрузочной способности.
Известен триггер с дополнительной симметрией [Гольденберг Л.М., Импульсные и цифровые устройства. − М.: Связь, 1973, стр. 275, рис. 4.18, в], содержащий два транзистора, четыре резистора и источники постоянных питающих напряжений.
Недостаток его заключается в том, что у него малая нагрузочная способность, т.к. относительно небольшая часть электрического тока, потребляемого от источника постоянного питающего напряжения, образует электрический ток внешней нагрузки. Это объясняется тем, что одну внешнюю нагрузку в рассматриваемой схеме можно подключать к коллектору или к эмиттеру только одного из двух имеющихся транзисторов. Если бы в формировании электрического тока внешней нагрузки участвовали оба имеющихся транзистора, то это повысило бы нагрузочную способность триггера.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа часть схемы трехвходового логического элемента И-НЕ на полевых транзисторах [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 610, рис.8.14, а], представляющая собой двухвходовой логический элемент И-НЕ на полевых транзисторах, содержащий 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 ярусное их включение и один полевой транзистор в их параллельное включение, поэтому выделить двухвходовой логический элемент И-НЕ не представляется трудным. Для этого следует удалить один полевой транзистор из параллельного их соединения и связанный с ним один транзистор из ярусного включения.
Недостаток прототипа заключается в том, что в общем случае у него малая нагрузочная способность. При комбинации входных сигналов 0,1 и 1,0 только один из имеющихся транзисторов формирует электрический ток внешней нагрузки. Правда, при комбинации входных сигналов 0,0 два полевых транзистора формируют электрический ток нагрузки и нагрузочная способность в данном случае лучше, но в случае приведенных выше двух вариантов входных сигналов такое улучшение отсутствует. Имеется принципиальная возможность уменьшить приведенный недостаток.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении в общем случае нагрузочной способности триггерного логического элемента И-НЕ на полевых транзисторах.
Это достигается тем, что в триггерный логический элемент И-НЕ на полевых транзисторах, содержащий источник питающего постоянного напряжения, общая шина (минусовой вывод) которого заземлена, последовательно соединенные два полевых транзистора с индуцированными каналами n-типа, исток первого из них соединен со стоком второго, а исток последнего заземлен, выводы затворов каждого из двух полевых транзхисторов образуют первый и второй входы относительно "земли" логического элемента И-НЕ, выводы подложек каждого из двух полевых транзисторов заземлены, также имеется третий полевой транзистор, но с индуцированным каналом р-типа, его подложка соединена с истоком, введены пять резисторов и дополнительный полевой транзистор, а также изменено включение элементов, первый резистор включен между выходом источника питающего постоянного напряжения и общим выводом истока и подложки третьего полевого транзистора, последний общий вывод соединен со стоком первого полевого транзистора, второй резистор включен между стоком третьего полевого транзистора и выходом относительно "земли" логического элемента И-НЕ, между собой последовательно включены третий резистор, дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и четвертый резистор, свободный вывод третьего резистора соединен с общим выводом выхода источника питающего постоянного напряжения и первого резистора, общий вывод третьего резистора и стока дополнительного полевого транзистора подключен к затвору третьего полевого транзистора, затвор дополнительного полевого транзистора соединен с общим выводом стока третьего полевого транзистора и второго резистора, подложка дополнительного полевого транзистора подключена к его истоку и между их общим выводом и общим выводом выхода логического элемента И-НЕ и второго резистора включен четвертый резистор, а пятый резистор включен между "землей" и общим выводом третьего резистора, затвора третьего полевого транзистора и стока дополнительного полевого транзистора.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
1
2
н
В триггерном логическом элементе И-НЕ на полевых транзисторах общая шина (вывод отрицательной полярности) источника 1 питающего постоянного напряжения заземлена. Между собой последовательно включены полевые транзисторы 2,3 с индуцированными каналами n-типа. Исток полевого транзистора 2 соединен со стоком транзистора 3, а исток последнего заземлен. Подложки обоих транзисторов тоже заземлены. Выводы затворов их образуют первый (х) и второй (х) входы относительно "земли" логического элемента И-НЕ. Последовательно между собой включены резистор 4, полевой транзистор 5 с индуцированным каналом р-типа и резистор 6. Свободный вывод резистора 4 подключен к выходу (вывод положительной полярности) источника 1 питающего постоянного напряжения. К общему выводу резистора 4 и истока полевого транзистора 5 подключены подложка этого транзистора и сток полевого транзистора 2. Также последовательно между собой включены резистор 7, полевой транзистор 8 с индуцированным каналом n-типа и резистор 9. Свободный вывод резистора 7 соединен с общим выводом резистора 4 и выхода источника 1 питающего постоянного напряжения. Общий вывод резистора 7 и стока транзистора 8 подключен к затвору транзистора 5, а затвор транзистора 8 подсоединен к общему выводу резистора 6 и стока транзистора 5. Подложка транзистора 8 соединена с его истоком. Свободный вывод резистора 6 соединен со свободным выводом резистора 9 и их общий вывод образует выход () относительно "земли" логического элемента И-НЕ. Резистор 10 включен между "землей" и общим выводом резистора 7, затвора транзистора 5 и стока транзистора 8. Для наглядности на фиг.1 пунктирными линиями показано подключение внешней нагрузки R. Схема на транзисторах 5, 8 и ре6зисторах 4, 6, 7, 9 является триггером на полевых транзисторах противоположного типа проводимости.
Триггерный логический элемент И-НЕ на полевых транзисторах работает следующим образом. В цифровой электронике используются входные и выходные 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).  Работа двухходового логического элемента И-НЕ отражается известной таблицей 1, где N - номер строки по порядку,   и  - условное отображение входных сигналов и  - условное отображение выходного сигнала.
<img file="00000002.jpg" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000003.jpg" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000004.jpg" he="7" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Табл. 1
H
Первые три строчки (1 - 3) таблицы 1 соответствуют тому, что на одном или на двух входах  имеется уровень логического нуля (низкий уровень напряжения). Он не превышает пороговое напряжение и полевого транзистора 2, и транзистора 3, они не проводят электрический ток (закрыты) и не влияют на состояние триггера на транзисторах 5, 8 противоположного типа проводимости. Первое (условно) состояние равновесия этого триггера соответствует закрытому состоянию обоих транзисторов и нулевым значениям силы электрического тока через резисторы 4,6,7 и 9. Такой ток определяет нулевые значения напряжения, в том числе на резисторах 6 и 7. 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 6, 7 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 управляющие напряжения превысят пороговые напряжения триггера на транзисторах 5 и 8. Значение сопротивления резистора 10 может обеспечить на резисторе 7 значение напряжения превышающее пороговое напряжение триггера и обеспечивать его второе состояние. Тогда электрические токи транзисторов 5 и 8 обеспечивают на выходе логического элемента И-НЕ и на внешней нагрузке Rуровень логической единицы (высокий уровень напряжения).
H
В соответствии с четвертой строкой таблицы 1 на входы  и  поступают высокие уровни напряжения, они превышают пороговые напряжения транзисторов 2, 3 и электрический ток их создает на резисторе 4 напряжение, которое превышает порог срабатывания триггера и переводит его в первое состояние. В итоге нулевые значения силы токов транзисторов 5, 8 создают на выходе логического элементов И-НЕ и на внешней нагрузке R напряжение уровня логического нуля.
Таким образом, в триггерном логическом элементе И-НЕ на полевых транзисторах сила электрического тока внешней нагрузки равна сумме силы токов не одного, а двух транзисторов 5 и 8 при трех строчках табл.1, а не при одной строчке, как в прототипе. Это повышает нагрузочную способность логического элемента И-НЕ.