Изучение характеристик ключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП) (стр. 2 из 3)

, ( 2 )

а в пологой области , при

- зависимым генератором тока :

. ( 3 )

Параметры передаточной, входной и выходных характеристик КМОП-ключей имеют большой разброс. Так пороговое напряжение

может изменяться от 1 до 5 В. Поэтому напряжение питания выбирается из условия и составляет обычно ... 9 В. Для разных типов микросхем КМОП выходные токи могут сильно отличаться (до 10 и более раз) из-за различия размеров каналов n- и p-канальных транзисторов.

Характеристики ЛЭ КМОП подвержены также влиянию температуры. Меняется пороговое напряжение

, выходные токи. Пороговое напряжение с ростом температуры уменьшается.

Обозначения ИС КМОП, выпускаемых различными фирмами, содержат название серии ИС, определяющее технологию производства (семейство) и идентификаторы, определяющие фирму-производителя, рабочий температурный диапазон, тип корпуса. В справочниках по ИС КМОП идентификаторы могут не приводиться. Примеры: семейство CD4000, CD4000A, CD4000В – фирма RCA (отечественные серии 164, 176, 564, 561,); семейство MС1400 – фирма Motorola (КР1561), семейство HC – фирма National Semiconductor (1564), семейство AC – фирма Texas Instruments Inc. (КР1554). Базовые схемы ИС КМОП разных серий имеют свою физическую структуру и имеют соответствующие физические параметры, обеспечивающие взаимную совместимость.

Статические режимы в логических элементах КМОП характеризуются стандартными параметрами, к которым относятся уровни входных и выходных напряжений:

- входное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- входное напряжение низкого уровня (логического нуля),

- выходное напряжение высокого уровня (логической единицы),

- выходное напряжение низкого уровня (логической единицы),

- порог переключения.

Стандартные динамические параметры ЛЭ характеризуются временами задержки

при переходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий, - при переходе выходного сигнала с низкого уровня на высокий или средним временем задержки сигналов в ЛЭ -

Быстродействие схем с МОП-транзисторами ограничивается значениями выходных токов и величиной межэлектродных емкостей: затвор-исток

, затвор-сток , подложка-сток , подложка-исток и емкостью нагрузки .

Характеристики быстродействия для разных серий ИС КМОП могут сильно отличаться. Так указанные выше в качестве примера ИС серий CD4000, CD4000A, CD4000В, MС1400 имеют общий недостаток – малые значения выходных токов и, соответственно, низкое быстродействие (время задержки сигналов

достигает сотен наносекунд). Вместе с тем, ИС семейства HC (HC – Нigh speed CMOS) имеют среднее время задержки базового элемента = 10 нс, как у базового элемента ТТЛ. Еще большее быстродействие имеют ИС КМОП серий AC (AC-Advanced CMOS) – среднее время задержки базового элемента этой серии = 3,5 нс.

3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КМОП

Логические элементы (ЛЭ) на комплементарных ключах получаются соединением группы последовательно включенных транзисторов одного типа с группой параллельно включенных транзисторов другого типа. Причем число транзисторов в каждой группе равно числу входов схемы, рис.4,а,б.

ЛЭ, построенный по схеме рис.4,а, реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ. Если среди входных сигналов есть хотя бы один сигнал высокого уровня (логическая единица), то в группе последовательно соединенных транзисторов Tp найдется хотя бы один запертый транзистор, а в группе параллельно соединенных транзисторов Tn – хотя бы один проводящий. Состояние схемы соответствует схеме замещения рис.3,б, выходное напряжение равно нулю (логический нуль). Логическая единица для схемы рис.4,а, следовательно, является активным значением логической переменной.

При нулевом напряжении на всех входах (на всех входах логические нули) все n-канальные транзисторы заперты, а p-канальные – проводят, поэтому состояние схемы соответствует схеме замещения рис.3,а, выходное напряжение равно E_П(логическая единица). Логический нуль, следовательно, - пассивное значение логической переменной для схемы рис.4,а.

Таблица истинности, которая получается в результате проведенного анализа схемы, соответствует логической операции ИЛИ-НЕ.

Нетрудно убедиться, проведя анализ схемы рис.4,б аналогичным способом, что для нее активным значением логической переменной является логический нуль, а пассивным – логическая единица, следовательно, схема рис.4,б реализует логическую операцию И-НЕ.

Неиспользуемые входы в ЛЭ КМОП оставлять свободными (никуда не подключать) нельзя. Неиспользуемые входы либо объединяются с используемыми, либо на них подается напряжение, соответствующее пассивному сигналу (0 – для элементов ИЛИ-НЕ, Еп – для элементов И-НЕ).

4. ФОРМИРОВАТЕЛИ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

Формирователи импульсов выполняют преобразование входных импульсных сигналов с целью получения новых сигналов с определенными нормированными временными характеристиками. Такими устройством может быть, например, формирователь коротких импульсов заданной длительности, привязанных к каждому положительному (отрицательному, положительному и отрицательному) перепаду входного сигнала или устройство задержки входных импульсных сигналов на заданное время и т.п. Времязадающим элементом, определяющим длительность формируемых импульсов, может быть ЛЭ КМОП.

На рис.5 приведен пример схемы формирователя, в котором

для каждого положительного перепада сигнала X вырабатываются короткие импульсы Y и Y1. Анализ схемы показывает, что длительность выходных импульсов определяется задержкой, которую вносят логические элементы A4, A5, A6 для сигнала

, поступающего на нижний вход логического элемента А2.

Если длительность выходных импульсов велика, количество элементов задержки может оказаться нерационально большим. В таком случае целесообразно использовать в качестве узла задержки в схеме рис.5 времязадающую RC-цепь интегрирующего типа. Схема формирователя импульсов в таком случае принимает вид рис.6. Инерционная цепь R1, C1 увеличивает длительность переходных процессов в цепи

задержки сигнала X и позволяет получить необходимую длительность выходных импульсов.

В качестве времязадающей цепи в формирователях импульсов используется также RC-цепь дифференцирующего типа. Пример такой схемы приведен на рис.7.

5. ПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ГОНОК В ЦИФРОВЫХ СХЕМАХ

Приведенная на рис.5 схема может рассматриваться как простейший пример, показывающий возникновение гонок (состязаний) в цифровых устройствах. Гонки возникают из-за неравенства задержек физических сигналов X и

, поступающих на входы ЛЭ А2, вследствие чего перекрываются во времени их единичные значения. Выходной физический сигнал Y изменяется дважды: когда возникает перекрытие и когда оно заканчивается – формируется импульс. В идеальной схеме, когда задержка сигналов в ЛЭ отсутствует ( ), на выходе ЛЭ А2 – не изменяющийся высокий уровень напряжения, так как .