1. МЕТА РОБОТИ
Вивчити характеристики ключових схем на доповнюють МОП-транзисторах (КМОП) і базових схем логічних елементів КМОП, використовуючи можливості програми MC8DEMO. Вивчити вміст процесів у формувачі імпульсів на базі ЛЕ КМОН і прояви перегонів (змагань) в цифрових схемах.
2. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО РОБОТІ БАЗОВОЇ СХЕМИ КМОП
КМОП позначає одержала широке поширення технологію виготовлення ІС. Особливістю ІС КМОП є використання
в якості базової схеми комплементарного ключа (рис.1), що складається з ключового транзистора Tn і навантажувального - Tp. Ключовий транзистор c індукованим каналом Tn має канал n-типу (відмикання транзистора Tn відбувається при>, - поріг відмикання n-канального транзистора), а навантажувальний транзистор з індукованим каналом Tp - канал p-типу (відмикання навантажувального транзистора Tp відбувається при <, - поріг відмикання p-канального транзистора).
Керуюча напруга впливає одночасно на ключовий і навантажувальний транзистори, вид вольт-амперної характеристики навантаження під впливом міняється, тому комплементарний ключ рис.1 є ключем з нелінійної активним навантаженням.
Коли напруга мало, <- ключовий транзистор Tn закритий (Через нього протікає тільки вельми малий струм витоку), але навантажувальний транзистор Tp при цьому відкритий, його напруга затвор-витік більш негативне, ніж, так як
<.
У режимі замкнутого ключа (Максимальної провідності каналу) МОП-транзистор являє собою деякий опір Rт між витоком і стоком (Опір каналу), залежне від напруги на затворі. Величина цього опору аналітично виражається формулою
, ( 1)
де - параметр МОП-транзистора (Питома крутість), - відповідно напруга на затворі і порогова напруга. При максимальних значеннях в залежності від типу транзистора це опір становить Rт 200 Ом ... 500 Ом для n-канальних транзисторів, для p-канальних - воно приблизно в 3 рази більше.
При <статичному станом ключа рис.1
відповідає найпростіша схема заміщення рис.3, а, в якій замкнений транзистор Tn представлений розривом всіх його висновків, а відкритий транзистор Tp - еквівалентним резистором Rт2 між стоком і витоком. У такому статичному стані.
При великих значеннях напруги в схемі рис.1, коли>, ключовий транзистор Tn відкритий, а навантажувальний Tp - закритий, так як
>.
Такому статичному Станом ключа рис.1 відповідає найпростіша схема заміщення рис.3, б, в якої замкнений транзистор Tp представлений розривом всіх його висновків, а відкритий транзистор Tn - еквівалентним резистором Rт1 між стоком і витоком. У такому статичному стані.
Як випливає з моделей рис.3, б, комплементарний ключ не споживає струму в обох статичних станах, коли <і коли>. Ключ споживає струм тільки в режимі перемикання. Така властивість комплементарного ключа визначає та інші його гідності:
- напруги логічних рівнів і забезпечують максимальну величину логічного перепаду напруги -;
- висока швидкодія (У схемі немає статичного струму - опору провідних каналів можуть бути знижені і, отже, швидкості перезаряду ємностей підвищені);
- ключ зберігає працездатність при зміні живлячої напруги в широких межах і може працювати з нестабілізованим харчуванням;
- мала потужність споживання при низьких і середніх частотах перемикання;
- велика навантажувальна здатність при низьких і середніх частотах перемикання;
- мала залежність робочих характеристик від температури.
Вхідний опір МОП-транзисторів незалежно від їх стану дуже велике:. Через дуже високого вхідного опору і невеликого напруги пробою МОП-транзистори можуть бути пошкоджені статичною електрикою. Це вимагає вживання заходів, що перешкоджають виникненню статичного заряду в транзисторі при зберіганні і монтажі.
Логічні елементи КМОН мають спеціальну діод-резисторну схему захисту від статичної електрики, приклад такої схеми наведений на рис.2. Позитивний статичний заряд стікає на шину живлення, якщо потенціал затвора перевищує потенціал шини харчування на величину напруги відмикання діодів D2, D3. Негативний статичний заряд стікає на загальну шину через діоди D1, D4. Резистор R1 потрібен для обмеження струмів в захисних діодах.
Фізична структура ключа КМОП, що містить схему захисту, і її еквівалентна схема можуть бути різними, отже, розрізняються і вхідні характеристики. Вхідні струми, обумовлені відмиканням захисних діодів, слід брати до уваги при використанні логічних елементів КМОП в імпульсних схемах з конденсаторами (генератори, формувачі імпульсів). У цифрових схемах вхідні напруги в КМОП-ключах змінюються в межах логічного перепаду (), тому всі захисні діоди закриті і не впливають на роботу КМОП-ключа. В подальшому ланцюга захисту, як правило, показуватися не будуть.
Характеристики вихідного струму, які необхідно знати при роботі КМОП-ключа на резистивну і емкостную навантаження, визначаються вихідними характеристиками використовуваних транзисторів Tn і Tp. У кожному з двох статичних станів ключа вихідний струм дорівнює струму стоку відкритого транзистора. У першому стані (на виході ключа - логічний нуль) цей струм втікає і замикається через Tn, у другому (логічна одиниця на виході) струм - випливає, замикається через Tp.
Схема заміщення відкритого транзистора, визначальна величину впадає або витікаючого струму, вибирається в Залежно від значення робочої напруги стік-витік,. КМОП-ключ по виходу може бути представлений еквівалентним двополюсників, який в крутий області вихідних характеристика транзистора при <є резистором з опором, що залежить від:
, ( 2)
а в пологій області, при - Залежним генератором струму:
. (3)
Параметри передавальної, вхідний і вихідних характеристик КМОП-ключів мають великий розкид. Так порогова напруга може змінюватися від 1 до 5 В. Тому напруга живлення вибирається з умови і становить зазвичай ... 9 В. Для різних типів мікросхем КМОП вихідні струми можуть сильно відрізнятися (до 10 і більше разів) через розходження розмірів каналів n-і p-канальних транзисторів.
Характеристики ЛЕ КМОН схильні також впливу температури. Змінюється порогове напруга, вихідні струми. Порогове напруга з ростом температури зменшується.
Позначення ІС КМОП, випускаються різними фірмами, містять назву серії ІС, що визначає технологію виробництва (сімейство) і ідентифікатори, що визначають фірму-виробника, робочий температурний діапазон, тип корпуса. В довідниках по ІС КМОП ідентифікатори можуть не наводитися. Приклади: сімейство CD4000, CD4000A, CD4000В - фірма RCA (вітчизняні серії 164, 176, 564, 561,); сімейство MС1400 - фірма Motorola (КР1561), сімейство HC - фірма National Semiconductor (1564), сімейство AC - фірма Texas Instruments Inc. (КР1554). Базові схеми ІС КМОП різних серій мають свою фізичну структуру і мають відповідні фізичні параметри, що забезпечують взаємну сумісність.
Статичні режими в логічних елементах КМОН характеризуються стандартними параметрами, до яких відносяться рівні вхідних і вихідних напруг:
- вхідна напруга високого рівня (Логічної одиниці),
- вхідна напруга низького рівня (Логічного нуля),
- вихідна напруга високого рівня (Логічної одиниці),
- вихідна напруга низького рівня (Логічної одиниці),
- поріг перемикання.
Стандартні динамічні параметри ЛЕ характеризуються часами затримки при переході вихідного сигналу з високого рівня на низький, - при переході вихідного сигналу з низького рівня на високий або середнім часом затримки сигналів в ЛЕ -
Швидкодія схем з МОП-транзисторами обмежується значеннями вихідних струмів і величиною міжелектродних ємностей: затвор-витік, затвор-стік, підкладка-стік, підкладка-витік і ємністю навантаження.
Характеристики швидкодії для різних ...
