Изучение характеристик ключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП)

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 :

, ( 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.