Вивчення характеристик ключових схем на доповнюють МОП-транзисторах (КМОП)

1. МЕТА РОБОТИ

Вивчити характеристики ключових схем на доповнюють МОП-транзисторах (КМОП) і базових схем логічних елементів КМОП, використовуючи можливості програми MC8DEMO. Вивчити зміст процесів в формувач імпульсів на базі ЛЕ КМОП і прояви гонок (змагань) в цифрових схемах.

2. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО РОБОТУ БАЗОВОЇ СХЕМИ КМОП

КМОП позначає одержала широке поширення технологію виготовлення ІС. Особливістю ІС КМОП є використання

в якості базової схеми комплементарного ключа (рис.1), що складається з ключового транзистора Tn і навантажувального - Tp. Ключовий транзистор c індукованим каналом Tn має канал n-типу (відмикання транзистора Tn відбувається при > , - поріг відмикання n-канального транзистора), а навантажувальний транзистор з індукованим каналом Tp- канал p-типу (відмикання навантажувального транзистора Tp відбувається при < , - поріг відмикання p-канального транзистора).

Керуюча напруга впливає одночасно на ключовий і навантажувальний транзистори, вид вольт-амперної характеристики навантаження під впливом змінюється, тому комплементарний ключ рис.1 є ключем з нелінійної активним навантаженням.

коли напруга мало, < - ключовий транзистор Tn закритий (через нього протікає тільки дуже малий струм витоку), але навантажувальний транзистор Tp при цьому відкритий, його напруга затвор-витік більше негативне, ніж , так як

< .

У режимі замкнутого ключа (максимальної провідності каналу) МОП-транзистор являє собою деякий опір Rт між витоком і стоком (опір каналу), залежне від напруги на затворі. Величина цього опору аналітично виражається формулою

, (1)

де - параметр МОП-транзистора (питома крутість), - відповідно напруга на затворі і граничне напруження. При максимальних значеннях в залежності від типу транзистора це опір становить Rт 200 Ом ... 500 Ом для n-канальних транзисторів, для p-канальних - воно приблизно в 3 рази більше.

при < статичному станом ключа рис.1

відповідає найпростіша схема заміщення рис.3, а, в якій замкнений транзистор Tn представлений розривом всіх його висновків, а відкритий транзистор Tp - еквівалентним резистором Rт2 між стоком і витоком. В такому статичному стані .

При великих значеннях напруги в схемі рис.1, коли > , Ключовий транзистор Tn відкритий, а навантажувальний Tp - закритий, так як

> .

Такому статичному станом ключа рис.1 відповідає найпростіша схема заміщення рис.3, б, в якій замкнений транзистор Tp представлений розривом всіх його висновків, а відкритий транзистор Tn - еквівалентним резистором Rт1 між стоком і витоком. В такому статичному стані .

Як випливає з моделей рис.3, б, комплементарний ключ не споживає струму в обох статичних станах, коли < і коли > . Ключ споживає струм тільки в режимі перемикання. Така властивість комплементарного ключа визначає і інші його гідності:

- напруги логічних рівнів і забезпечують максимальну величину логічного перепаду напруги - ;

- високу швидкодію (в схемі немає статичного струму - опору провідних каналів можуть бути знижені і, отже, швидкості перезарядження ємкостей підвищені);

- ключ зберігає працездатність при зміні живлячої напруги в широких межах і може працювати з нестабілізованою харчуванням;

- мала потужність споживання при низьких і середніх частотах перемикання;

- велика навантажувальна здатність при низьких і середніх частотах перемикання;

- мала залежність робочих характеристик від температури.

Вхідний опір МОП-транзисторів незалежно від їх стану дуже велике: . Через дуже високого вхідного опору і невеликого напруги пробою МОП-транзистори можуть бути пошкоджені статичною електрикою. Це вимагає вжиття заходів, що перешкоджають виникненню статичної заряду в транзисторі при зберіганні і монтажі.

Логічні елементи КМОП мають спеціальну діод-резисторную схему захисту від статичної електрики, приклад такої схеми наведений на рис.2. Позитивний статичний заряд стікає на шину живлення, якщо потенціал затвора перевищує потенціал шини живлення на величину напруги відмикання діодів D2, D3. Негативний статичний заряд стікає на загальну шину через діоди D1, D4. Резистор R1 потрібен для обмеження струмів в захисних діодів.

Фізична структура ключа КМОП, що містить схему захисту, і її еквівалентна схема можуть бути різними, отже, розрізняються і вхідні характеристики. Вхідні струми, обумовлені відмиканням захисних діодів, слід брати до уваги при використанні логічних елементів КМОП в імпульсних схемах з конденсаторами (генератори, формувачі імпульсів). У цифрових схемах вхідні напруги в КМОП-ключах змінюються в межах логічного перепаду ( ), Тому всі захисні діоди закриті і не впливають на роботу КМОП-ключа. Надалі ланцюга захисту, як правило, не відображатимуться.

Характеристики вихідного струму, які необхідно знати при роботі КМОП-ключа на резистивную і ємнісне навантаження, визначаються вихідними характеристиками використовуваних транзисторів Tn і Tp. У кожному з двох статичних станів ключа вихідний струм дорівнює струму стоку відкритого транзистора. У першому стані (на виході ключа - логічний нуль) цей струм втікає і замикається через Tn, у другому (логічна одиниця на виході) струм - випливає, замикається через Tp.

Схема заміщення відкритого транзистора, що визначає величину впадає або випливає струму, вибирається в залежності від значення робочої напруги стік-витік , . КМОП-ключ по виходу може бути представлений еквівалентним двополюсників, який в крутий області вихідних характеристика транзистора при < є резистором з опором, що залежить від :

, (2)

а в пологій області, при - залежним генератором струму :

. (3)

Параметри передавальної, вхідний і вихідних характеристик КМОП-ключів мають великий розкид.Так порогове напруга може змінюватися від 1 до 5 В. Тому напруга живлення вибирається з умови і становить зазвичай ... 9 В. Для різних типів мікросхем КМОП вихідні струми можуть сильно відрізнятися (до 10 і більше разів) через відмінності розмірів каналів n- і p-канальних транзисторів.

Характеристики ЛЕ КМОП схильні також впливу температури. Змінюється граничне напруга , Вихідні струми. Гранична напруга з ростом температури зменшується.

Позначення ІС КМОП, що випускаються різними фірмами, містять назву серії ІС, що визначає технологію виробництва (сімейство) і ідентифікатори, що визначають фірму-виробника, робочий температурний діапазон, тип корпусу. У довідниках з ІВ КМОП ідентифікатори можуть не наводитися. Приклади: сімейство CD4000, CD4000A, CD4000В - фірма RCA (вітчизняні серії 164, 176, 564, 561,); сімейство MС1400 - фірма Motorola (КР1561), сімейство HC - фірма National Semiconductor (+1564), сімейство AC - фірма Texas Instruments Inc. (КР1554). Базові схеми ІС КМОП різних серій мають свою фізичну структуру і мають відповідні фізичні параметри, що забезпечують взаємну сумісність.

Статичні режими в логічних елементах КМОП характеризуються стандартними параметрами, до яких відносяться рівні вхідних і вихідних напруг:

- вхідна напруга високого рівня (логічної одиниці),

- вхідна напруга низького рівня (логічного нуля),

- вихідна напруга високого рівня (логічної одиниці),

- вихідна напруга низького рівня (логічної одиниці),

- поріг перемикання.

Стандартні динамічні параметри ЛЕ характеризуються часом затримки при переході вихідного сигналу з високого рівня на низький, - при переході вихідного сигналу з низького рівня на високий або середнім часом затримки сигналів в ЛЕ -

Швидкодію схем з МОП-транзисторами обмежується значеннями вихідних струмів і величиною міжелектродних ємностей: затвор-витік , Затвор-стік , Підкладка-стік , Підкладка-витік і ємністю навантаження .

Характеристики швидкодії для різних серій ІС КМОП можуть сильно відрізнятися. Так зазначені вище як приклад ІС серій CD4000, CD4000A, CD4000В, MС1400 мають загальний недолік - малі значення вихідних струмів і, відповідно, низька швидкодія (час затримки сигналів досягає сотень наносекунд). Разом з тим, ІС сімейства HC (HC - Нigh speed CMOS) мають середній час затримки базового елементу = 10 нс, як у базового елементу ТТЛ. Ще більшу швидкодію мають ІС КМОП серій AC (AC-Advanced CMOS) - середній час затримки базового елементу цієї серії = 3,5 нс.

3. ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ КМОП

Логічні елементи (ЛЕ) на комплементарних ключах виходять з'єднанням групи послідовно включених транзисторів одного типу з групою паралельно включених транзисторів іншого типу. Причому число транзисторів в кожній групі дорівнює числу входів схеми, рис.4, а, б.

ЛЕ, побудований за схемою рис.4, а, реалізує логічну операцію АБО-НЕ. Якщо серед вхідних сигналів є хоча б один сигнал високого рівня (логічна одиниця), то в групі послідовно з'єднаних транзисторів Tp знайдеться хоча б один замкнений транзистор, а в групі паралельно з'єднаних транзисторів Tn - хоча б один проводить. Стан схеми відповідає схемі заміщення рис.3, б, вихідна напруга дорівнює нулю (логічний нуль). Логічна одиниця для схеми рис.4, а, отже, є активним значенням логічної змінної.

При нульовій напрузі на всіх входах (на всіх входах логічні нулі) все n-канальні транзистори замкнені, а p-канальні - проводять, тому стан схеми відповідає схемі заміщення рис.3, а, вихідна напруга дорівнює E _П (логічна одиниця). Логічний нуль, отже, - пасивне значення логічної змінної для схеми рис.4, а.

Таблиця істинності, яка виходить в результаті проведеного аналізу схеми, відповідає логічній операції АБО-НЕ.

Неважко переконатися, провівши аналіз схеми рис.4, б аналогічним способом, що для неї активним значенням логічної змінної є логічний нуль, а пасивним - логічна одиниця, отже, схема рис.4, б реалізує логічну операцію І-НЕ.

Невикористані входи в ЛЕ КМОП залишати вільними (нікуди не підключати) не можна. Невикористані входи або об'єднуються з використовуваними, або на них подається напруга, відповідне пасивного сигналу (0 - для елементів АБО-НЕ, Еп - для елементів І-НЕ).

4. Пристрій для формування КОРОТКИХ імпульсів

Формувачі імпульсів виконують перетворення вхідних імпульсних сигналів з метою отримання нових сигналів з певними нормованими тимчасовими характеристиками. Такими пристроєм може бути, наприклад, формувач коротких імпульсів заданої тривалості, прив'язаних до кожного позитивного (негативного, позитивного і негативного) перепаду вхідного сигналу або пристрій затримки вхідних імпульсних сигналів на заданий час і т.п. Времязадающей елементом, визначальним тривалість формованих імпульсів, може бути ЛЕ КМОН.

На рис.5 наведено приклад схеми формувача, в якому

для кожного позитивного перепаду сигналу X виробляються короткі імпульси Y і Y1. Аналіз схеми показує, що тривалість вихідних імпульсів визначається затримкою, яку вносять логічні елементи A4, A5, A6 для сигналу , Що надходить на нижній вхід логічного елемента А2.

Якщо тривалість вихідних імпульсів велика, кількість елементів затримки може виявитися нераціонально великим. В такому випадку доцільно використовувати в якості вузла затримки в схемі рис.5 времязадающей RC-ланцюг інтегруючого типу. Схема формувача імпульсів в такому випадку приймає вид рис.6. Інерційна ланцюг R1, C1 збільшує тривалість перехідних процесів в ланцюзі

затримки сигналу X і дозволяє отримати необхідну тривалість вихідних імпульсів.

Як времязадающей ланцюга в формувач імпульсів використовується також RC-ланцюг дифференцирующего типу. Приклад такої схеми наведений на рис.7.

5. ПРОЯВ ЕФЕКТУ ПЕРЕГОНІВ У ЦИФРОВИХ СХЕМАХ

Наведена на рис.5 схема може розглядатися як найпростіший приклад, який показує виникнення гонок (змагань) в цифрових пристроях. Гонки виникають через нерівності затримок фізичних сигналів X і , Що надходять на входи ЛЕ А2, внаслідок чого перекриваються в часі їх поодинокі значення. Вихідний фізичний сигнал Y змінюється двічі: коли виникає перекриття і коли воно закінчується - формується імпульс. В ідеальній схемі, коли затримка сигналів в ЛЕ відсутня ( ), На виході ЛЕ А2 - що не змінюється високий рівень напруги, так як .

Аналіз роботи схеми, наведеної на рисунку 8 і в якій мають місце гонки, призводить до висновку про те, що тимчасове неузгодженість надходження сигналів на входи елемента A2 менше, ніж тимчасове неузгодженість сигналів на входах елемента А3. Отже, імпульси на виходах Y і Y1 відрізняються за тривалістю і можуть відрізнятися за амплітудою. Заміна ЛЕ АБО-НЕ в схемі рис.8 на елементи І-НЕ дає схему з такими ж властивостями. Через розкиду

параметрів динамічних характеристик ЛЕ КМОП параметри вихідних імпульсів можуть змінюватися у великому діапазоні значень. Тому ризик збою в роботі цифрових пристроїв через появу імпульсів, не передбачених логікою їх роботи, носить імовірнісний характер.

6. ПРОГРАМА РОБОТИ

6.1 Підготовка до роботи

вивчити:

а) характеристики польових транзисторів з індукованим каналом n-типу і p-типу (вхідні , прохідну , вихідні ,

б) фізику роботи ключа КМОП, його моделі в статичних станах і характеристики (вхідні , передавальний , вихідні , Споживання струму від джерела живлення ),

в) фізику роботи базових схем І-НЕ КМОП і АБО-НЕ КМОП і їх таблиці істинності,

г) статичні характеристики ЛЕ КМОП при зміні напруги живлення ,

д) чинники, що впливають на тривалість перехідних процесів в ключах КМОП, і фізику перемикання ключа,

е) принцип побудови і схеми формувачів коротких імпульсів,

ж) фактори, що зумовлюють гонки і вплив гонок на функціональну надійність цифрових пристроїв.

6.2 ВИКОНАННЯ РОБОТИ

(Результати за всіма пунктами програми роботи документувати і включити в звіт)

1. Викликати програму Micro-Cap (ярлик Micro-Cap Evaluation 8.0)

2. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-1.CIR) і досліджувати

Схему 1:

а) отримати передавальну характеристику (ПХ) та характеристику вхідного струму ключа (Analysis> DC ...> Run);

б) визначити по ним значення вхідної напруги, при яких відкриваються транзистори Т1, Т2 і захисні діоди;

в) визначити і пояснити значення статичних рівнів ПХ;

г) отримати статичні характеристики схеми при варіації напруги живлення (DC> Stepping> Step It Yes> OK> F2); простежити за зміною форми характеристик, задокументувати і пояснити зміни;

д) вимкнути режим варіації напруги харчування і вийти з режиму аналізу (DC> Stepping> Step It No> OK> F3);

е) отримати перехідні характеристики ключа (Analysis>

Transient> Run), визначити стадії перехідних процесів при включенні і виключенні схеми, їх тривалість і середній час затримки;

ж) отримати характеристики перемикання схеми при варіації напруги харчування (Transient> Stepping> Step It Yes> OK> F2); простежити за зміною форми характеристик, задокументувати і пояснити зміни;

з) вимкнути режим варіації напруги харчування і вийти з режиму аналізу (Transient> Stepping> Step It No> OK> F3);

і) закрити Схему 1 (File> Сlose> No Save ...).

2. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-2.CIR) і досліджувати

Схему 2:

а) отримати статичну характеристику вихідної напруги від значення статичної напруги на одному з входів ключа (Analysis> DC ...> Run), пояснити поведінку і параметри отриманої характеристики;

б) вийти з режиму аналізу (F3);

в) отримати і пояснити таблицю істинності, задаючи різні статичні рівня напруги на входах X2, X1, X0 (Analysis>

Transient> Run),

г) вийти з режиму аналізу (F3);

д) закрити Схему 2 (File> Сlose> No Save ...).

3. Відкрити Схему 3 (File> Open> DATA RUS> 2p-3.CIR) і виконати для неї п.п.2 а), б), в), г), д).

4. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-4.CIR) і досліджувати

Схему 4:

а) отримати і пояснити статичні передавальні характеристики схеми - V (Y, Y1) = f (V (X)) (Analysis> DC ...> Run);

б) вийти з режиму аналізу (F3);

в) отримати тимчасові діаграми сигналів Y (t) і Y1 (t) (Analysis>

Transient> Run) при впливі на вхід схеми періодичного імпульсного сигналу U1 (t) c заданими параметрами, порівняти сигнали Y (t) і Y1 (t) з значеннями статичних рівнів, отриманими в п. А), пояснити відмінності;

г) виміряти і обгрунтувати тривалість вихідних імпульсів Y (t) і Y1 (t) і їх тимчасове положення щодо вхідних;

д) вийти з режиму аналізу (F3);

е) закрити Схему 4 (File> Сlose> No Save ...).

5. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-5.CIR) і досліджувати

Схему 5:

а) отримати і пояснити статичні передавальні характеристики схеми - V (Y, Y1) = f (V (X)) (Analysis> DC ...> Run);

б) вийти з режиму аналізу (F3);

в) отримати тимчасові діаграми сигналів Y (t) і Y1 (t) (Analysis>

Transient> Run) при впливі на вхід схеми періодичного імпульсного сигналу U1 (t) c заданими параметрами, порівняти сигнали Y (t) і Y1 (t) з значеннями статичних рівнів, отриманими в п. А), пояснити відмінності;

г) виміряти і обгрунтувати тривалість вихідних імпульсів Y (t) і Y1 (t) і їх тимчасове положення щодо вхідних; зіставити результати з п.4.г) і пояснити відмінності;

д) отримати тимчасові діаграми сигналів Y (t) і Y1 (t) при варіації опору резистора R1 (Transient> Stepping> Step It Yes> OK> F2); простежити за зміною їх форми, задокументувати і пояснити зміни;

е) вимкнути режим варіації опору резистора і вийти з режиму аналізу (Transient> Stepping> Step It No> OK> F3);

ж) закрити Схему 5 (File> Сlose> No Save ...).

6. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-6.CIR) і досліджувати

Схему 6:

а) отримати і пояснити тимчасові діаграми времязадающего напруги і сигналів Y (t) і Y1 (t) (Analysis> Transient> Run) при впливі на вхід схеми періодичного імпульсного сигналу U1 (t) c заданими параметрами; сформулювати і проаналізувати чинники, що визначають тривалість вихідних імпульсів і їх тимчасове положення;

б) отримати тимчасові діаграми при варіації опору резистора R1 (Transient> Stepping> Step It Yes> OK> F2); простежити за зміною їх форми, задокументувати і пояснити зміни;

в) вимкнути режим варіації опору резистора і вийти з режиму аналізу (Transient> Stepping> Step It No> OK> F3);

г) закрити Схему 6 (File> Сlose> No Save ...).

6. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-7.CIR) і досліджувати

Схему 7:

а) отримати і пояснити статичні передавальні характеристики схеми - V (Y, Y1) = f (V (X)) (Analysis> DC ...> Run);

б) вийти з режиму аналізу (F3);

в) отримати тимчасові діаграми сигналів Y (t) і Y1 (t) (Analysis>

Transient> Run) при впливі на вхід схеми періодичного імпульсного сигналу U1 (t) c заданими параметрами; сформулювати висновок про величину ризику збою роботи цифрового пристрою,

побудованого на ІС КМОП, сигналами Y (t) і Y1 (t).

г) вийти з режиму аналізу (F3);

д) закрити Схему 7 (File> Сlose> No Save ...).

7. Відкрити (File> Open> DATA RUS> 2p-8.CIR) і досліджувати

Схему 8:

а) зіставити конфігурацію, склад Схеми 8 і Схеми 7, проаналізувати роботу і сформулювати висновок про їх властивості та наявності гонок у Схемі 8; побудувати тимчасові діаграми сигналів Y (t) і Y1 (t);

б) виконати для Схеми 8 п.п.7 а), б), в), г), д);

8. Отримати у викладача додаткове завдання по роботі.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

1. Разевіг В.Д. Схемотехнічне моделювання за допомогою Micro-Cap 7. - М .: Гаряча лінія - Телеком, 2003. - 368 с.

2. Імпульсні і цифрові пристрої на інтегральних мікросхемах КМДПТЛ: Керівництво до лабораторної роботи № / Упоряд. Сальников Н.І.- Рязань. : РРТИ, 1984. - 16 с.

3. Сальников Н.І., Бєлкін А.П., Соколов Ю.П. Імпульсні пристрої на інтегральних логічних елементах: Навчальний посібник. - Рязань: РРТИ, 1986. - 72 с.

4. Зельдін Е.А. Цифрові інтегральні мікросхеми в інформаційно-вимірювальної апаратури. - Л .: Вища школа., 1986. - 280 с.

5. Алексенко А.Г., Шагуріна І.І. Мікросхемотехніка: Учеб. допомога. - М .: Радио и связь, 1982. - 416 с.

6. Пухальский Г.І., Новосельцева Т.Я. Цифрові пристрої: Учеб. допомога. СПб .: Політехніка, 1996..