Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 7 )

Несмотря на отмеченные принципиальные дефекты, наличие которых следует скорее поставить в упрек руководителю, работа как учебное исследование вполне "на уровне" (в особенности замена реального макетирования электронным). Что же касается самих элементов, то, даже если предположить, что каким то образом их удастся "довести до ума", многое говорит против них. Главный недостаток – необходимость уметь изготавливать в одном процессе 12 разновидностей  CMOS-транзисторов с разными типам проводимости и четырьмя значениями порогов. Это разительно отличает предлагаемые троичные элементы от двоичных в худшую сторону.

Автор работы не оставляет в стороне вопрос технологичности производства предложенных элементов. Утверждается: “Использование элионной технологии позволяет на одном кристалле создавать МДП-структуры с индуицированными и встроенными каналами, со сколь угодно малыми пороговыми напряжениями, с устойчивым процентом выхода годных кристаллов в процессе производства. … Независимая подгонка пороговых напряжений разных транзисторов одного кристалла может осуществляться путем ионной имплантации сквозь подзатворный окисел ионов примесей”. В этом утверждении настораживают слова "устойчивый процент выхода" и "независимая подгонка". Пишущий эти строки не специалист в технологии, однако трудно себе представить, чтобы при изготовлении БИС использовалась “независимая подгонка пороговых напряжений разных транзисторов одного кристалла”.

В заключение выскажу дополнительно некоторые соображения, относящиеся не только к обсуждаемой работе.

1. Об использовании высокопороговых CMOS-транзисторов в цифровой технике.

Под дискретностью обычно понимают наличие ряда фиксированных значений физических величин (токов, напряжений и т. д.), отображающих в цифровых устройствах набор логических значений. Поддержка такой дискретности (назовем ее дискретностью уровней) обязательна для цифрового устройства. Однако поддерживать только дискретность уровней недостаточно. Необходимо, чтобы цифровая сигнальная последовательность (скачкообразно меняющиеся уровни) в процессе прохождения через различные узлы цифрового устройства не "расползалась" – т. е требуется, чтобы перепады уровней оставались крутыми, а интервалы между ними - неизменными. Назовем это, также необходимое, качество цифрового сигнала дискретностью времени. Поддерживают дискретность времени, периодически пропуская цифровую последовательность через триггеры, тактируемые синхросигналами. Основная функция триггера – память, однако функция формирования крутых фронтов сигналов, хотя и технологическая, но не менее важная.

Известно, что основное потребление цифровым устройством тока от источника питания в CMOS-схемотехнике происходит при переключении  – переходе логических элементов из одного состояния в другое. Это обусловлено тем, что токи затворов и утечки чрезвычайно малы. Потребление тока (ограничимся пока двоичным вариантом) имеет место, когда оба транзистора комплементарной пары открыты и работают в активном режиме. Высказывалось мнение, что если использовать транзисторы с высокими пороговыми  напряжениями (превосходящими |0,5Uпит|), такое положение не возникнет и скачка потребления не будет. Для комбинационных схем это, по-видимому, справедливо. Однако на таких элементах трудно, если не невозможно, реализовать полноценный триггер. CMOS-триггер представляет собой два последовательно включенных комплементарных инвертора, образующих охваченный положительной обратной связью двухкаскадный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы. В нем при переключении возникает лавинообразный процесс и формируются сигналы с крутыми фронтами. Если же пороги транзисторов перекрывается, комплементарные инверторы не реализуются – транзисторы каждого из инверторов не находятся в активном режиме одновременно. Двухкаскадный усилитель в этом случае будет иметь по одному транзистору в каждом каскаде. При переключении сначала превышается порог одного транзистора, он открывается и начинает перезаряжаться конденсатор затвора второго транзистора. И лишь когда он откроется, замкнется цепь положительной обратной связи. В принципе, при достаточной крутизне характеристик, в таком усилителе можно обеспечить коэффициент усиления больше единицы. Однако, даже на качественном уровне ясно, что за счет высоких порогов и емкостных нагрузок задержка выходного сигнала относительно запускающего сигнала в таком триггере будет больше, а формирующие свойства хуже, чем у его низкопорогового собрата.

В троичных элементах, обсуждавшихся выше, использование высокопороговых CMOS-транзисторов в качестве ключей K1 и K-1 является принципиальным. Поэтому можно предположить, что реализация полноценного триггера в этом случае будет тоже затруднена. Однако в троичном инверторе переход из 1 в –1 происходит через 0 и следует выяснить, не даст ли это преимуществ по сравнению с двоичным триггером на высокопороговых транзисторах, о недостатках которого говорилось ранее. По-видимому нет. Дело в том, что ключ K0, как уже упоминалось, в действительности представляет собой не ключевую схему, а истоковый повторитель, у которого коэффициент усиления по напряжению не превосходит единицы. Таким образом, лавинообразный процесс переключения при установке троичного триггера в 0 вообще не может возникнуть.

2. О выборе питающих напряжений для недвоичных цифровых устройств

При рассмотрении симметричных троичных элементов разных типов, у которых дискретным значениям сопоставлены уровни напряжения, всякий раз сталкиваешься с тем, что обеспечить уровень троичного 0 теми же схемными приемами, которые используются для уровней 1 и –1, не удается. Может показаться, что это обусловлено наличием двух разнополярных источников питания (например, +4В и -4В в обсуждаемой работе). На самом деле это не так. Уровни напряжения всегда относительны – нулевой отличается от других только тем, что относительно него осуществляют измерения. Все троичные схемы с одинаковым успехом будут работать и при наборе напряжений 0В, +4В и +8В, и при -8В, -4В, 0В, и даже при +10В, +14В и +18В. Ключ Kо должен коммутировать токи различного направления не потому, что источники разнополярны, а потому, что уровень на K1 выше, а на K‑1 – ниже, чем на Kо.

Понятно, что набор +4В, 0В и -4В, при котором сигналы 1 и –1 будут иметь разную полярность, предпочтителен, поскольку он естественно отображает на нижнем уровне присущую системе в целом симметрию. Однако приходится признать тот факт, что на "схемном" уровне симметричные троичные элементы ничем не отличаются от однополярных трехуровневых. Интересно отметить, что точно такие же требования к "промежуточным" ключам возникнут и для n-ричных элементов, также не обязательно симметричных. Однако у элементов, в которых дискретным значениям сопоставлены токи, подобного разнообразия не возникает. Возможно поэтому двоичные токовые элементы удается модифицировать в троичные более простым и естественным путем, по сравнению с элементами, управляемыми напряжением.