ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.
Подготовка к работе заключается в изучении работы элементов типа КМОП и ознакомлении с основными зависимостями и параметрами элементов. Для этого следует воспользоваться данными методическими указаниями и рекомендуемой литературой.
Принципы работы элементов n-МОП и p-МОП в данном разделе не рассматриваются, и для ознакомления с ними необходимо обратиться к литературе приведенной в списке. Ниже приводится краткое описание принципов работы элементов КМОП
Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах с изолированным затвором и индуцируемым каналом. Особенностью такой схемы (рис. 7.2) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.
На рис. 7.3приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n-каналом (VТn) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р-каналом (VТp) — если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.
Важно, что оба транзистора имеют пятку на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (En), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТn, а в качестве нагрузочного — VТp.
Рис. 7.2. КМОП инвертор
Рис. 7.3. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов.
Инвертор (см. рис. 7.2) построен так, что исток VТp соединен с En, а исток VТn— с землей. Затворы VТn и VТp объединяются и служат входом инвертора, стоки VТn и VТp также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТn и VТp: Uзип = Uвх , Uзир = Uвх-Еп
Uзип – напряжение затвор-исток n – канального транзистора (VТn);
Uзир – напряжение затвор-исток р – канального транзистора (VТр).
При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТn и VТp обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение UПп =½UПр½=1,5В.
UПп - пороговое напряжение n – канального транзистора;
UПр- пороговое напряжение р – канального транзистора.
Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 7.4,а), на которой можно выделить четыре участка и зависимости Uзи = f(UBX) (рис. 7.4,б).
Участок 1: U0вх £ UПп. При этом Uзип = Uвх и VТn закрыт, Uзир = Uвх - Еп < UПр и VТp открыт.
Рис. 5.4. Характеристики КМОП инвертора а — ХВВ, б —- U3n = f(Uex); в - Inoтp = f(UBX)
В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТn закрыт), VТp находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к En(U1вых » En).
Участок II: UП > Uвх > UПп ,
где UП - напряжение, при котором происходит переключение схемы
и Uвых = 0,5(U1 - U0). Uзип = Uвх > UПп и VТn начинает открываться, Uзир = Uвх-Еп < UПр и VТp открыт.
На этом участке ½Uзип ½<½Uзир½, поэтому VТp будет оставаться в насыщении, а VТn — в активном режиме.
Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТn.
Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТp, за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТp все еще находится в насыщении.
Точка UП: Uвх = UП =0,5Еп;
Uзип =Uвх = UП> UПп, и VТn открыт; 0,5Еп< UПр и VТp открыт.
В этой точке ½Uзип ½=½Uзир½ следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (Uвыхп=0,5En). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.
Участок III: Еп-½UПр½ > Uвх > UП; Uзип = Uвх > UПп и VТn открыт; Uзир = Uвх-Еп < UПр и VТp открыт, но с ростом Uвх становится все менее и менее открытым.
На этом участке Uзип >½Uзир½, и поэтому VТn находится в насыщении, a VТp — в активном режиме.
Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТp.
Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТn. Так как VТn находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом UBX оно все более и более уменьшается.
Участок IV: Еп > Uвх > Еп-½UПр½; Uзип = Uвх > UПп и Vn открыт; Uзир = Uвх-Еп >Uзип и VТp закрыт.
В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТp закрыт). VТn находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (Uвых » 0).
Как видно из ХВВ (см. рис 7.4, а), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (Uвх = UП)лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (ЕП>Uвх>0). При ЕП = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом En абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от ЕП (U0вх.макс » 0.3ЕП, U1вх.мин » 0.7ЕП).
Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (1012¸1013Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.
Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТn или VТp обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 102¸103Ом.
Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.
Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.
Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.
Рис.7.4,в поясняет процесс потребления схемой тока.
В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток(10-6¸10-7А).
В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда Uзип и ½Uзир½> Uпор и оба транзистора VТn и VТp открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.
При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки Величина этого тока может быть определена как I=CEfП где fП — частота переключения схемы.
К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3 — 15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U1вх.мин для КМОП схем было бы больше En—|Unp| длянадежного запирания VТp. Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к Eп.
Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.
На рис. 7.5 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 7.6).
В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ — наоборот.
Рис. 7.5. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП.
Рис. 7.6. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП.
Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 7.7).
Рис. 7.7. КМОП- инвертор со схемой защиты затвора от
статического электричества.
Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.
Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:
ЕП=3¸15В; U0=0,01В (при ЕП=5В и Iн=0); U1=4,99В (при ЕП=5В и Iн=0); I0вх=0,2мкА; I1вх=0,2мкА; IП=0,17мА (при ЕП=10В, F=100кГц и Сн=50пФ); tз=80нс; I0вых=0,9мА (при U0вых=0,5В и ЕП=10В); I1вых=0,9мА (при U1вых=ЕП-0,5В и ЕП=10В); Сн=200пФ; Свх=12пФ.
Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).
Подготовка к работе включает в себя составление отчета в соответствии с разделом 2.