Изучение характеристик ключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП) (стр. 1 из 3)

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить характеристики ключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП) и базовых схем логических элементов КМОП, используя возможности программы MC8DEMO. Изучить содержание процессов в формирователях импульсов на базе ЛЭ КМОП и проявления гонок (состязаний) в цифровых схемах.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ БАЗОВОЙ СХЕМЫ КМОП

КМОП обозначает получившую широкое распространение технологию изготовления ИС. Особенностью ИС КМОП является использование

в качестве базовой схемы комплементарного ключа (рис.1), состоящего из ключевого транзистора Tn и нагрузочного – Tp. Ключевой транзистор c индуцированным каналом Tn имеет канал n-типа (отпирание транзистора Tn происходит при

> , - порог отпирания n-канального транзистора), а нагрузочный транзистор с индуцированным каналом Tp– канал p-типа (отпирание нагрузочного транзистора Tp происходит при < , - порог отпирания p-канального транзистора).

Управляющее напряжение

воздействует одновременно на ключевой и нагрузочный транзисторы, вид вольт-амперной характеристики нагрузки под воздействием меняется, поэтому комплементарный ключ рис.1 является ключом с нелинейной активной нагрузкой.

Когда напряжение

мало, < - ключевой транзистор Tn закрыт (через него протекает только весьма малый ток утечки), но нагрузочный транзистор Tp при этом открыт, его напряжение затвор-исток более отрицательное, чем , так как

< .

В режиме замкнутого ключа (максимальной проводимости канала) МОП-транзистор представляет собой некоторое сопротивление Rт между истоком и стоком (сопротивление канала), зависящее от напряжения на затворе. Величина этого сопротивления аналитически выражается формулой

, ( 1 )

где

- параметр МОП-транзистора (удельная крутизна), - соответственно напряжение на затворе и пороговое напряжение. При максимальных значениях в зависимости от типа транзистора это сопротивление составляет Rт 200 Ом ... 500 Ом для n-канальных транзисторов, для p-канальных – оно примерно в 3 раза больше.

При

< статическому состоянию ключа рис.1

соответствует простейшая схема замещения рис.3,а, в которой запертый транзистор Tn представлен разрывом всех его выводов, а открытый транзистор Tp - эквивалентным резистором Rт2 между стоком и истоком. В таком статическом состоянии

.

При больших значениях напряжения

в схеме рис.1, когда > , ключевой транзистор Tn открыт, а нагрузочный Tp – закрыт, так как

> .

Такому статическому состоянию ключа рис.1 соответствует простейшая схема замещения рис.3,б, в которой запертый транзистор Tp представлен разрывом всех его выводов, а открытый транзистор Tn - эквивалентным резистором Rт1 между стоком и истоком. В таком статическом состоянии

.

Как следует из моделей рис.3а,б, комплементарный ключ не потребляет тока в обоих статических состояниях, когда

< и когда > . Ключ потребляет ток только в режиме переключения. Такое свойство комплементарного ключа определяет и другие его достоинства:

- напряжения логических уровней

и обеспечивают максимальную величину логического перепада напряжения - ;

- высокое быстродействие (в схеме нет статического тока - сопротивления проводящих каналов могут быть снижены и, следовательно, скорости перезаряда емкостей повышены);

- ключ сохраняет работоспособность при изменении питающего напряжения

в широких пределах и может работать с нестабилизированным питанием;

- малая мощность потребления при низких и средних частотах переключения;

- большая нагрузочная способность при низких и средних частотах переключения;

- малая зависимость рабочих характеристик от температуры.

Входное сопротивление МОП-транзисторов независимо от их состояния очень велико:

. Из-за очень высокого входного сопротивления и небольшого напряжения пробоя МОП-транзисторы могут быть повреждены статическим электричеством. Это требует принятия мер, препятствующих возникновению статического заряда в транзисторе при хранении и монтаже.

Логические элементы КМОП имеют специальную диодно-резисторную схему защиты от статического электричества, пример такой схемы приведен на рис.2. Положительный статический заряд стекает на шину питания, если потенциал затвора превышает потенциал шины питания на величину напряжения отпирания диодов D2, D3. Отрицательный статический заряд стекает на общую шину через диоды D1, D4. Резистор R1 нужен для ограничения токов в защитных диодах.

Физическая структура ключа КМОП, содержащая схему защиты, и ее эквивалентная схема могут быть различными, следовательно, различаются и входные характеристики. Входные токи, обусловленные отпиранием защитных диодов, следует принимать во внимание при использовании логических элементов КМОП в импульсных схемах с конденсаторами (генераторы, формирователи импульсов). В цифровых схемах входные напряжения в КМОП-ключах меняются в пределах логического перепада (

), поэтому все защитные диоды закрыты и не влияют на работу КМОП-ключа. В дальнейшем цепи защиты, как правило, показываться не будут.

Характеристики выходного тока, которые необходимо знать при работе КМОП-ключа на резистивную и емкостную нагрузку, определяются выходными характеристиками используемых транзисторов Tn и Tp. В каждом из двух статических состояний ключа выходной ток равен току стока открытого транзистора. В первом состоянии (на выходе ключа – логический нуль) этот ток

втекает и замыкается через Tn, во втором (логическая единица на выходе) ток – вытекает, замыкается через Tp.

Схема замещения открытого транзистора, определяющая величину втекающего

или вытекающего тока, выбирается в зависимости от значения рабочего напряжения сток-исток , . КМОП-ключ по выходу может быть представлен эквивалентным двухполюсником, который в крутой области выходных характеристика транзистора при < является резистором с сопротивлением, зависящим от :