2. Кмоп-инверторы, бикмоп-логика.

3.1. Кмоп-инверторы.

Недостатком транзисторных ключей на МОП-транзисторе является то, что в рабочем состоянии через него протекает постоянная составляющая тока, пропорциональная сопротивлению нагрузки. Вообще-то, схема МОП-ключа не нуждается в этой составляющей тока. Дело в том, что при последовательном включении нескольких ключей этот ток не является принципиально необходимым для схемы ключа в целом, так как входной ток у МОП-транзисторов равен нулю, и для переключения транзистора требуется лишь перезарядить входную ёмкость. Следовательно, происходит бесполезное потребление мощности. Можно, конечно, увеличить эквивалентную нагрузку в цепи стока, но это приведёт к снижению быстродействия.

Свободной от этого недостатка является схема КМОП-инвертора ─ это сочетание двух МОП-транзисторов с каналами разной проводимости (рис.16.4). Эту пару транзисторов принято называть комплементарной или дополняющей.

Рис.16.4. Рис.16.5

Рис.16.6.

В схеме КМОП-инвертора (рис.16.4) стоки транзисторов VT₁ и VT₂ объединены и образуют вывод выхода ключа. Затворы также объединены и образуют вывод входа. Исток транзистора VT₂ соединён с шиной питания (+Е_с), а исток транзистора VT₁ ─ с «земельной» шиной. Схема КМОП-инвертора симметрична. Выходное напряжение снимается с транзистора VT₁.

Режим транзисторов подбирается таким образом, чтобы, даже в переходных процессах, не было таких моментов в работе ключа, когда оба транзистора окажутся одновременно открытыми. Для этого напряжение питания инвертора выбирается из условия

где U₀₁ и U₀₂ ─ пороговые напряжения VT₁ и VT₂ соответственно (обычное значение для порогового напряжения U₀ ≈ 0,2 Е_с).

Рассмотрим работу КМОП-инвертора в статическом режиме

Если сигнал на входе отсутствует (рис.16.4), то транзистор VT₁ находится в режиме отсечки. При этом на затворе транзистора VT₂ относительно истока присутствует напряжение и поэтому транзистор VT₂ будет включен. Поскольку VT₁ заперт, то в цепи, составленной из двух последовательно соединённых транзисторов, протекает лишь остаточный ток неосновных носителей. Напряжение на выходе при таких условиях будет равно напряжению питания

Если сигнал на входе имеет высокий уровень, то n-канальный транзистор VT₁ отпирается до насыщения, а p-канальный транзистор VT₂ выключается (переходит в режим отсечки). Сопротивление открытого транзистора VT₁ резко уменьшается, остаточное напряжение на его выходе снижается (примерно до 10 мВ). Таким образом, становится очевидным, что схема КМОП-ключа работает как инвертор: фаза входного сигнала на выходе меняется на противоположную. Поэтому схему КМОП-ключа называют логическим инвертором.

При проектировании КМОП-инвертора важным моментом является вопрос согласования транзисторов по таким параметрам, как удельная крутизна и пороговые напряжения (по модулю). За счёт этого обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа: и когда VT₁ открыт, и когда он закрыт. В лекции №4 уже упоминалось о том, что приповерхностная подвижность дырок (μ_p) в 2 …3 раза меньше подвижности электронов (μ_n) и обычное соотношение μ_n ≈ 3 μ_p. Для согласования транзисторов длины каналов выбирают одинаковыми, а ширину канала VT₂ берут в 2 …3 раза больше ширины канала VT₁, то есть ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство

Выводы по статическому режиму КМОП-инвертора.

КМОП- инвертор имеет большой запас помехоустойчивости, так как разница между уровнями напряжений на выходе велика (от напряжения, близкого к нулю до напряжения питания);

• У КМОП-инвертора высокая нагрузочная способность: входное сопротивление очень велико, входные цепи практически не потребляют токов. Ограничением по нагрузочной способности ключа являются входные ёмкости ключей, на которые нагружен КМОП-инвертор;

• КМОП-инвертор менее чувствителен к воздействию помех, чем МОП-ключи: в стационарном состоянии у ключа всегда имеет место конечное сопротивление между источником питания и землёй, следовательно, у грамотно спроектированного КМОП-инвертора очень невысокое выходное сопротивление (выходной импеданс);

• в статическом режиме схема КМОП-инвертора практически не потребляет мощности, так как при любом уровне входного сигнала один из транзисторов всегда заперт (между шинами питания и заземления нет прямой связи).

Рассмотрим работу КМОП-ключа в динамическом режиме.

Переходные процессы В МОП-ключах обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав комплексной нагрузки. Для удобства анализа переходных процессов все ёмкости заменим одной С_н (рис.16.5). Типичное значение этой ёмкости у транзисторов с длиной канала менее 1 мкм составляет не более 1 пФ.

Вернёмся к рис.16.5. Заряд ёмкости С_н происходит через транзистор VT₂, когда он открыт (рис.16.7, в это время VT₁ закрыт), а разряд ─ через открытый VT₁ ( в это время VT₂ закрыт, рис.16.8). Длительность переходных процессов у обоих транзисторов примерно одинакова, но это при условии, если транзисторы согласованы по параметрам ─ крутизне и пороговым напряжениям.

Процесс заряда конденсатора можно представить простейшей экспоненциальной функцией.

В КМОП-инверторе заряд и разряд конденсатора С_н происходит примерно в одинаковых условиях, так как схема симметрична по отношению к запирающим и отпирающим импульсам.

Длительность фронта t_ф напряжения (рис.16.6) определяется на уровне 0,9 Е_с. Это время заряда конденсатора через VT₂ (рис.16.7). Разряд конденсатора через транзистор VT₁ определяет фронт среза t_с (рис.16.6) ─ это время разряда конденсатора через VT₁ (рис.16.8).

Рис.16.7

Рис.16.8

Время формирования среза (t_с) и фронта (t_ф) импульса напряжения на выходе (рис.16.6.в)

Конечно же есть небольшая разница в этих временных интервалах, но она настолько незначительна, что можем считать t_ф ≈ t_с.

Определим время перехода схемы ключа из состояния логической единицы в состояние логического нуля (из t¹⁰ в t⁰¹). Допустим, что на входе ключа действует высокий уровень напряжения, конденсатор заряжен. Транзистор VT₁ открывается, конденсатор начинает разряжаться. Начальный ток стока

(16.6)

На выходе формируется низкий уровень напряжения (ЛГ0). Время перехода схемы из состояния из t¹⁰ в t⁰¹ ─ это интервал времени, в течение которого напряжение на выходе уменьшается до уровня 0,5Е_с. Для упрощения анализа переходного процесса будем считать ток стока постоянным, следовательно, выходное напряжение будет меняться по линейному закону и тогда для интервала переключения справедливо выражение

(16.7)

Пороговое напряжение обычно составляет 0,2 Е_с

Решив уравнения (16.6) и (16.7), получаем время перехода схемы из t¹⁰ в t⁰¹

(16.8)

Если транзисторы в схеме ключа согласованы, то время перехода схемы из t⁰¹ в t¹⁰ определяется с помощью той же формулы (16.8).

Способы уменьшения времени переключения сводятся в основном к одному ─ уменьшение ёмкости С_н: увеличение напряжения питания приводит к увеличению мощности, потребляемой ключом.

Определим динамические потери в КМОП-инверторе в процессе переключения. Основные потери обусловлены процессами заряда и разряда ёмкости нагрузки. Когда ёмкость разряжается через открытый канал транзистора VT₁, энергия ёмкости рассеивается в виде тепла на сопротивлении этого канала. Энергия ёмкости в этом случае равна Заряд же ёмкости идёт через открытый канал транзистора VT₂, и при этом выделяется энергия Следовательно, общая энергия, рассеиваемая на ключе за время действия одного импульса будет равна Обозначим тактовую частоту повторения прямоугольных импульсов на входе через f, и определим динамические потери Для уменьшения динамических потерь необходимо уменьшать напряжение питания и ёмкость конденсатора C_н. Уменьшение напряжения питания приводит к снижению быстродействия схемы ключа, поэтому боле результативным будет метод уменьшения C_н.

Недостатком КМОП-инвертора является то, что ток, отдаваемый в нагрузку МОП-транзисторами мал, а это ограничивает скорость заряда ёмкости и снижает быстродействие ключа в целом.