Зачем одному вентилю AND требуется 60 транзисторов?

Глядя на таблицу для MC74VHC1G08 , в разделе функций , он заявляет Chip Complexity: FETs = 62.

• Зачем этой микросхеме 62 транзистора, а вентиль AND можно сделать только с 6 транзисторами?
• Для чего используются остальные 56 транзисторов? Я думаю, что это какая-то схема защиты, но я не уверен.

Может быть несколько причин, по которым в этой микросхеме используется более 6 минимальных МОП-транзисторов (4 для NAND + 2 для инвертора):

• Как указано в спецификации:

Внутренняя схема состоит из нескольких каскадов, включая буферный выход, который обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильный выход.

• Выход будет сделан с использованием довольно больших (не минимальных размеров) транзисторов. Всегда есть «свернутые», что означает, что несколько транзисторов объединены в один большой, где области рассеяния стока и истока разделены между двумя транзисторами. Это ведет себя как один большой транзистор, но может быть подсчитано как много, если вы хотите большее количество транзисторов.

• Защита от электростатического разряда на входах и выходах микросхем, изготовленных в современных процессах CMOS, часто использует «полевые МОП-транзисторы с заземлением» вместо более традиционных диодов.

• Между контактами питания требуется цепь "ESD-зажим", такая схема состоит из пары транзисторов.

• Цифровые схемы (такие как вентиль AND) часто нуждаются в разделении питания на кристалле. Они называются «декаповыми клетками». Это конденсаторы между направляющими питания. Эти конденсаторы в основном изготавливаются с использованием транзисторов с затвором-стоком / источником.

• В CMOS-процессах MOSFET являются наиболее «базовыми» компонентами, они также являются наиболее контролируемым и наиболее гибким компонентом, поэтому разработчики ИС предпочитают использовать MOSFET всякий раз, когда это возможно.

В общем и целом «довольно легко» потребовать 62 транзистора, чтобы создать, казалось бы, простую функцию, такую ​​как вентиль AND. Это также потому, что эта микросхема «немного больше», чем просто логическое «И». Логические элементы И в более сложных схемах, таких как процессоры, микроконтроллеры и т. Д., Часто используют только 6 транзисторов. Но это не «одинокие» И ворота вроде этого IC.

От ON Semiconductor MC74VHC1GT00 - Одиночный двухканальный NAND Gate Руководство по продукту:

Внутренняя схема состоит из нескольких каскадов, включая буферный выход, который обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильный выход.

Входная структура MC74VHC1G00 обеспечивает защиту при подаче напряжения до 7 В независимо от напряжения питания. Это позволяет использовать MC74VHC1G00 для подключения цепей 5 В к цепям 3 В.

Сложность чипа: FETs = 56

Защита от пониженного напряжения на входах

Сбалансированные задержки распространения

От ON Semiconductor MC74VHC1GT00 - Таблица 2-входного NAND Gate .

$V_{CC}$$V_{CC}$

$I_{OFF}$ поддерживает защиту от частичного отключения питания

ESD выдерживает напряжение> 2000 В

У нас есть как минимум три этапа, которые являются входными, логическими и выходными.

Ворота MC74VHC1G08 AND, которые могут быть сформированы из NAND и NOT, принимают 62 FET. MC74VHC1GT00 NAND занимает 56. То же семейство, поэтому примерно 6 полевых транзисторов для реализации инвертора. Это означало бы, что MC74VHC1G00 будет иметь около 9 функциональных ворот, а MC74VHC1G08 - 10.

Основой вопроса OP является логика «И», которая может быть реализована из 6 вентилей, но НЕ в MC74VHC1G08 должно быть не менее 6 FET.

Скажем 8 + 6, чтобы реализовать логику, что оставило бы около 48 полевых транзисторов, чтобы обеспечить все дополнительные защиты.

Угадайте 5/6 полевых транзисторов / вход для обеспечения защиты от электростатического разряда = 36 полевых транзисторов.

Остальные, чтобы обеспечить все остальные защиты. Это явно не простые И ворота.

Сколько параллельных маленьких МОП-транзисторов находится в одном мощном МОП-транзисторе? Тысячи? У этого маленького затвора довольно высокий выходной ток, поэтому для этого нужно 62 крошечных полевых МОП-транзистора.

Мои два цента стоят предположения.

Чем тяжелее затворы МОП-транзистора, чтобы его включить, тем больше времени потребуется для его выключения. Производительность может быть улучшена путем добавления схемы для ограничения избыточного напряжения на затворе, хотя делать это без увеличения рассеиваемой мощности покоя сложно.

Я не знаю, какие именно методы используются в CMOS для предотвращения перенасыщения, но маломощные устройства Шоттки, основанные на транзисторах с биполярным переходом, могут предоставить полезный аналог. Рассмотрим два простых инвертора, показанных ниже:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Инвертор слева проще, чем справа, но если запустить симуляцию, вы увидите, что добавление диода позволяет цепи справа отключиться гораздо быстрее, чем слева.

В приведенных ниже инверторах на основе BJT диод Шоттки немного увеличит рассеяние мощности в R3, но такое увеличение будет незначительным по сравнению с общим потреблением энергии. В устройстве CMOS простое ограничение напряжения на затворе увеличило бы рассеивание мощности, что делает необходимым использование других, более сложных подходов.

Возможно, у кристалла на самом деле есть четыре вентиля AND, потому что он использует тот же физический кристалл, что и этот чип MC74VHC08 , просто подключая только один из вентилей.

Почему возникли затраты и проблемы при разработке, тестировании и поддержке целого отдельного кристалла, когда стоимость между 17 и 62 транзисторами на кремнии в основном равна нулю?

Это добавит до 2 или 6 транзисторов для защиты источника питания и 14 или 15 транзисторов на И. Не так уж и необоснованно.