Передаточная характеристика ЛЭ

Рассмотрим передаточную характеристику ЛЭ на примере инвертора НЕ (Рис. 7.3). Схемы И—НЕ, ИЛИ-НЕ легко превратить в такой инвертор.

Рассмотрим один из наиболее часто встречающихся режимов работы, когда ½ U_Оp½ + ½ U_Оn½ < E_ПИТ. Будем изменять E_Г от U_ВХ = 0 до U_ВХ = E_ПИТ. Для успешного освоения материала этого раздела необходимо знание выходных характеристик МОП - транзистора ( см. cноску *)).

При входном напряжении, меньшем U_Оn (точка (a) на рис. 7.4), ток стока I_Сn = I_{УТ n} @ 0, и на выходе ЛЭ формируется (рис. 7.4, б) высокий уровень напряжения U_ВЫХ¹ = E_ПИТ - U_ОСТp, где

U_ОСТp = I_{УТ n} (b_p(E_ПИТ - U_Оp)).

Поскольку U_ОСТp » 1 × 10^-3 В, то можно считать U_ВЫХ¹ @E_ПИТ.

 

Рис. 7. 4. а – перемещение рабочей точки по семейству выходных характеристик транзисторов. Здесь (----) – ВАХ p-канального транзистора, (––) – ВАХ n-канального транзистора, (– × –) – линии, отделяющие области крутых характеристик от пологих. б – передаточная характеристика ЛЭ

 

 

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

*) Семейство выходных характеристик МОП-транзистора условно можно разделить на две области. При больших напряжениях на стоке (U_СИ) формируется область пологих характеристик, где ток стока (I_С), практически, не зависит от U_СИ и определяется уравнением (упрощенный вариант)

I_С = (b/2) (U_ЗИ – U_O)². ( 1*)

При малых напряжениях на стоке формируется область крутых характеристик, и ток стока определяется уравнением (упрощенный вариант)

I_С = b (U_СИ (U_ЗИ – U_O) –0, 5U ²_СИ). ( 2*)

Линия I_С = (b/2) U ²_СИ отделяет одну область характеристик от другой.

Здесь: b = mC₀W/L – удельнаая крутизна транзистора, U_О – напряжение отсечки транзистора, m - подвижность носителей заряда в канале, W, L – ширина и длина канала, C₀ – удельная емкость подзатворного диэлектрика.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

 

При увеличении входного напряжения U_ВХ > U_Оnток ключа увеличивается (точка ( b) на рис. 7.4, а, б). Транзисторы с n-каналом работают в пологой области характеристик и являются источником тока, а транзисторы с p-каналом - в крутой области, что эквивалентно характеристике резистора. Соответственно токи стоков равны

I_Сn = (b_n/2) (U_ВХ – U_Оn)²,

I_Сp = b_p((E_ПИТ – U_ВХ – U_Оp) (E_ПИТ – U_ВЫХ) – (E_ПИТ – U_ВЫХ)² /2). (7.1)

Здесь и далее используются модули величин E_ПИТ, U_ВХ, U_О, U_ВЫХ. Из равенства I_Сn = I_Сp получаем передаточную характеристику инвертора в неявной форме:

(b_n/2) (U_ВХ – U_Оn)² =

= b_p((E_ПИТ – U_ВХ – U_Оp) (E_ПИТ – U_ВЫХ) – (E_ПИТ – U_ВЫХ)² /2) (7.2)

Аналогичное наблюдается и для точки (c)нарис. 7.4.

Данная зависимость справедлива до момента, когда оба транзистора окажутся в области пологих характеристик (точки (d, e) на рис. 7.4), и незначительное изменение U_ВХ в близи U_ВХ* приводит к существенному перемещению рабочей точки на семействе выходных характеристик.

В области пологих характеристик станет справедливым уравнение

(b_n/2) (U_ВХ* –U_Оn)² = (b_p/2) (E_ПИТ – U_ВХ* – U_Оp), (7.3)

что позволяет определить напряжение U_ВХ*, при котором на передаточной характеристике будет наблюдаться вертикальный участок, соответствующий резкому изменению напряжений на стоках транзисторов,

U_ВХ* = (b_p/b_n)^1/2((E_ПИТ – U_Оp) + U_Оn) / (1 + (b_p/b_n)^1/2). (7.4)

Незначительное дальнейшее увеличение входного напряжения относительно U_ВХ* приведет к тому, что n-канальные транзисторы начнут работать в крутой области характеристик, а транзисторы с p-каналом — в пологой (точка (f) на рис. 7.4). В этом случае станут справедливыми уравнения

I_Сn = b_n((U_ВХ – U_Оn) U_ВЫХ – U_ВЫХ² /2)

I_Сp = (b_p/2) (E_ПИТ -U_ВХ – U_Оp)². (7.5)

Из равенства I_Сn = I_Сp получаем передаточную характеристику инвертора в неявной форме аналогичную (7.3):

b_n((U_ВХ – U_Оn) U_ВЫХ – U_ВЫХ² /2) = (b_p/2) (E_ПИТ -U_ВХ – U_Оp)². (7.6)

Возникла ситуация аналогичная ранее рассмотренной, только теперь источником тока является p-канальный транзистор, и ток стока, практически, определяется током I_Сp. Данная характеристика справедлива от линии U_ВХ = U_ВХ* до момента закрытия p-канального транзистора, т. е. до U_ВХ = E_ПИТ – U_Оp.

Уровень выходного напряжения при закрытых р-канальных транзисторах (точка (g)) определяется соотношением U_ВЫХ⁰ = U_{ОСТ n} =
= I_{УТ p} / (b_n(U_ВХ – U_Оp)). Обычно U_ВЫХ⁰ составляет (1 – 10) × 10^-3 В.

Реальные логические схемы содержат однотипные транзисторы, несколько отличающиеся друг от друга по напряжению отсечки (U_О) и по крутизне (b). Это делает реальную передаточную характеристику более резкой.

Таким образом, логическая схема на КМОП-транзисторах обеспечивает размах логического сигнала U_ВЫХ¹ - U_ВЫХ⁰ =E_ПИТ, который не зависит от соотношения удельной крутизны транзисторов b_n/b_p. Допускаемый уровень статической помехи составляет П⁺ = U_Оn и П^–= U_Оp.

На рис. 7.4, б показано также (пунктир) изменение тока, потребляемого ячейкой в статическом состоянии (I_ПИТ).

Если все n-канальные, или все p-канальные транзисторы закрыты, то схема, практически, не потребляет тока. Это происходит в диапазоне входных напряжений U_ВХ < U_Оn и (E_ПИТ - U_Оp) < U_ВХ < E_ПИТ.

Если входное напряжение находится в диапазоне U_Оn< U_ВХ< U_ВХ* (точки (a, b, c)), то для качественного определения тока, потребляемого от источника питания (I_ПИТ = I_Сn = I_Сp), полезно заметить, что между шинами питания оказываются последовательно включенными источник тока (I_Сn) и резистор – крутая область характеристик p-канального транзистора. Откуда ясно, что ток в этой цепи, практически, определяется источником тока (n-канальным транзистором)

I_ПИТ = I_Сn = (b_n/2) (U_ВХ – U_Оn)².

 

В диапазоне входных напряжений U_ВХ* < U_ВХ < (E_ПИТ - U_Оp) ток определяется p-канальными транзисторами по аналогичной причине, и подчиняется уравнению (7.5), т.е.

I_Сp = (b_p/2) (E_ПИТ -U_ВХ – U_Оp)².

 

В другом часто встречающемся случае, когда напряжения источника питания E_ПИТ < (½ U_Оp½ + ½ U_Оn½ ), КМОП-схема в статическом режиме работы, практически, не будет потреблять тока при переходе от U_ВЫХ¹ до U_ВЫХ⁰. Однако быстродействие такой схемы понижено.

Выходные характеристики

Схема измерения выходных характеристик I¢ _ВЫХ = f (E_Г¢ ) представлена на рис. 7.5, а. В зависимости от условий на входе схемы возможно наблюдение двух выходных характеристик. При E_Г = 0 транзистор VT1 закрыт, а VT2 максимально открыт, путь тока I¢ _ВЫХ показан пунктиром. На рис. 7.5, б представлена соответствующая выходная характеристика. Она определяется транзистором VT2. При E_Г = 1 выходная характеристика определяется транзистором VT1, который максимально открыт. При этом VT2 закрыт.

Выходные характеристики как при высоком, так и при низком уровне выходного логического сигнала определяются транзисторами, находящимися в крутой области характеристик. Эти характеристики на начальном участке определяются уравнением I_С = b(U_ЗИ - U_О) U_СИ.

 

Рис. 7.5. Схема измерения выходных характеристик ЛЭ (а), его выходные характеристики (б)

 

Исследование данных характеристик позволяет оценить максимальный нагрузочный ток при заданных уровнях U⁰ и U¹, а также удельную крутизну эквивалентных транзисторов.

Переходные процессы

Предполагается, что логический элемент нагружен на аналогичные КМОП ключевые схемы. Поскольку входное сопротивление
МОП-транзисторов крайне велико, можно считать, что нагрузка схемы является чисто емкостной (C_Н = C_СОБСТВ + MC_ВХ, где M-число подключаемых элементов). В эксперименте ЛЭ нагружены на внешнюю емкость C_Н (Рис. 7.6, а).

При изменении состояния ключа емкость C_Н перезаряжается через открытые транзисторы. Для оценки длительности переходных процессов необходимо знать характер перемещения рабочей точки по выходным характеристикам транзисторов (Рис. 7.6, б).

В исходном состоянии при E_Г = 0 транзистор VT2 открыт, а VT1 закрыт, и емкость C_Н заряжена до напряжения E_ПИТ (точка 1 рис.7.6, б, в). При мгновенном включении E_Г = E_ПИТ транзистор VT2 закроется, а VT1 откроется, но поскольку напряжение на емкости C_Н мгновенно измениться не может, рабочая точка переместится в положение 2. Начнется разряд емкости C_Н постоянным током I_Cn, и до тех пор, пока транзистор работает в пологой области характеристик (точка 3), формируется линейный спад выходного напряжения в соответствии с уравнением

I_Сn = C_Н dU_ВЫХ / dt.

 

Рис. 7.6. Переходные процессы в КМОП при работе на емкостную нагрузку: а – электрическая схема; б – перемещение рабочей точки по семейству выходных характеристик; в – осциллограммы переходных процессов

 

По мере уменьшения напряжения U_ВЫХ ток разряда емкости I_Сn уменьшается (точка 4), и окончательно емкость C_Н разрядится полностью – U_ВЫХ = 0 (точка 5). Соответственно длительность линейной части фронта t^1-0 cоставит

t^1-0 = k E_ПИТ C_Н / I_Сn,

где k = 0, 7 - 0, 8 в зависимости от вклада крутой области характеристики в этот процесс.

При мгновенном выключении импульса (E_Г = 0 ) транзистор VT2 откроется, а VT1 закроется, рабочая точка мгновенно переместится в положение 6.Емкость C_Н начнет заряжаться током I_Cp (точки 7, 8). Процесс аналогичен выше рассмотренному, и формируется линейное нарастание выходного напряжения

I_Сp = C_Н dU_ВЫХ / dt.

В точке 1 емкость C_Н вновь заряжена до напяжения E_ПИТ. Длительность фронта t^0-1 cоставит

t^0-1 = k E_ПИТ C_Н / I_Сp,

где k = 0, 7 - 0, 8 в зависимости от вклада крутой области характеристики в этот процесс.

Сокращения длительности переходных процессов в КМОП-схемах добиваются путем уменьшения емкости нагрузки, либо использованием транзисторов с повышенной крутизной. При минимальной емкости нагрузки (C_Н = C_СОБСТВ) реализуется минимальная длительность фронтов
t^1-0, t^0-1, определяемая технологическими возможностями при изготовлении микросхемы.

Задание

1. Изучить закономерности управления логическим элементом. Составить таблицу истинности. Конкретный вид схемы задается преподавателем.

2. Исследовать статическую передаточную характеристику и ток,

потребляемый схемой от источника питания E_ПИТ в зависимости от E_Г.

3. Исследовать выходные характеристики схемы при высоком и низком уровнях входных напряжений. Оценить удельную крутизну транзисторов.

4. Осуществить управление логическим элементом прямоугольными импульсами напряжения. Наблюдать переходные процессы. Оценить длительность t^1-0 и t^0-1, сравнить с теоретически ожидаемыми.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Преснухин Л. Н., Воробьев Н. В., Шишкевич А. А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 1982. С. 174—181.

2. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 346—351.

3. Справочник по интегральным микросхемам./Под ред. Б. В. Тарабрина. М.: Энергия, 1980. С. 816.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1.Лабораторная работа № 1.

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ КЛЮЧА НА

БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ …………………………………..3

 

2.Лабораторная работа № 2.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРНОМ КЛЮЧЕ

ПРИ РАБОТЕ НА АКТИВНО – ЕМКОСТНУЮ НАГРУЗКУ ….. 9

 

3.Лабораторная работа № 3.

РАБОТА КЛЮЧА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ НА

АКТИВНО – ИНДУКТИВНУЮ НАГРУЗКУ…………………….17

 

4.Лабораторная работа № 4.

РАБОТА КЛЮЧА НА МОП – ТРАНЗИСТОРЕ НА

АКТИВНО – ИНДУКТИВНУЮ НАГРУЗКУ…………………… 30

 

5.Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ …………………… …………………………38

 

6.Лабораторная работа № 6.

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ НА ПЕ- РЕКЛЮЧАТЕЛЯХ ТОКА С ЭМИТТЕРНОй СВЯЗЬЮ (ЭСЛ) ………46

 

7.Лабораторная работа № 7.

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА КМОП ТРАНЗИСТОРАХ …. 52

 

 

––––––––––––––––––––––––

 

 

Учебное издание

 

Каретников Игорь Александрович,

Соловьев Анатолий Корнильевич,

Чарыков Николай Андреевич

 

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

 

Лабораторные работы № 1 – 7

Методическое пособие

по курсу

" Электронные цепи и микросхемотехника"

для студентов, обучающихся по направлению

" Электроника и микроэлектроника"

 

 

Редактор И.А. Каретников

Редактор издательства В.В. Сомова

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Темплан издания МЭИ 2004 г. ( ), учебн.

Подписано к печати Печать офсетная

Формат бумаги

Физ. печ. л.

Тираж Изд. № Заказ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14.

Отпечатано в типографии ЦНИИ " Электроника",

117415, Москва, просп. Вернадского, д. 39.

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться:

Популярное:

1. Уравнение и передаточная функция системы автоматического регулирования