Вопрос 23. Кмдп инвертор.

• Статический режим, передаточная характеристика,переходные процессы.

Рис. 1 Электрическая схема (а) КМДП-инвертора на основе взаимодополняющих п- и р-транзисторов с индуцированными канала-ми и его передаточная характеристика (б)

Характерной особенностью функционирования КМДП-инвертора является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором. При низком уровне напряжения на входе (логический 0) открыт р-МДП-транзистор, n-МДП-транзистор закрыт и на выходе имеет место высокий уровень напряжения (логическая 1), близкий к напряжению источника питания U_и.п .При высоком напряжении на входе открыт n-МДП-транзистор, а р-МДП закрыт и выходное напряжение является низким. Таким образом, КМДП-ячейка (рис. 1, а) работает как инвертор, в котором р-МДП-транзистор играет роль переменной нагрузки. Запирание одного транзистора связано с отпиранием другого, и наоборот. Такая работа транзистора в КМДП-инверторе связана с тем, что в схеме всегда выполняется условие U_ЗИn +U_ЗИр⁼ =U_и.п и уменьшение U_ЗИ одного транзистора приводит к увеличению U_ЗИ другого.

Современные КМДП элементы допускают работу с напряжениями питания, изменяющимися в широких пределах (3 ... 15 В).

Очевидно, что в статическом режиме потребление тока данным элементом равно нулю. Лишь в момент переключения потребляется ток, определяемый в основном процессами перезаряда емкости нагрузки. Мощность, потребляемая элементом, растет пропорционально частоте переключения.

При напряжении Uп = 5 В элементы КМДП обладают совместимостью с элементами ТТЛ логики, превосходя последние по помехоустойчивости(Uпом»Uп/3).

Рассмотрим в упрощенном виде передаточную характеристику (зависимость (U_вых от U_вх) (рис. 1, б) инвертора: параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки пренебрежимо малыми. При общем условии |U_op+|U_on|<|U_и.п|<|U_пр|, где U_пр —напряжение пробоя перехода сток—подложка n-канального транзистора, работа инвертора осуществляется следующим образом. При 0<U_вх<U_0n активный транзистор n-типа закрыт, нагрузочный транзистор р-типа открыт и выходное напряжение U_вых = U_и.п = U¹ (рис. 1). При увеличении U_вых от U_on до U_и.р—U_op происходит плавное запирание р-транзистора, отпирание п-транзистора и уменьшение напряжения на выходе U_вых. При U_вх = U_и.п — U_op нагрузочный транзистор VT2 закрыт и U_вых =0= U⁰.

Как мы видим, и в состоянии логического нуля и в состоянии логической единицы один из транзисторов находится в закрытом состоянии и ток от источника питания отсутствует. Потребление энергии происходит только в момент переключения инвертора из одного состояния в другое и расходуется на перезарядку емкости нагрузки. При этом рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключения f, емкости нагрузки С_Н и квадрату напряжения источника питания: . Отсюда естественно вытекает, что самым эффективным средством снижения рассеиваемой инвертором мощности является уменьшение напряжения источника питания, на величину которого, как это видно из предыдущего рассмотрения, накладываются ограничения: U_on< U_и.п, U_op< U_и.п , U_on+U_op> U_и.п. Минимальные значения пороговых напряжений определяются возможностями технологии изготовления КМДП-инвертора, а также допустимыми уровнями помех. Напряжение источника питания обычно лежит в интервале 3,0... 12 В. Эти данные говорят также о том, что КМДП-инвертор малочувствителен к достаточно большим колебаниям напряжения источника питания.

Переходные процессы в МДП-транзисторах.

Современная технология изготовления полевых транзисторов позволяет изготавливать практически безинерционные транзисторы, их граничная частота может быть ~ 10¹⁵ Гц. Поэтому быстродействие схем на МДП-транзисторах в основном определяется временем заряда и разряда паразитной ёмкости. Перезаряд этих ёмкостей в ключах на МДП-транзисторах занимает достаточно большое время, тем более, если учесть, что он происходит через большое сопротивление.

Ключи с динамическим сопротивлением нагрузки обладают таким же медленным быстродействием, что и с резистивной нагрузкой. Наилучшим быстродействием обладают ключи на МДП-транзисторах, в них заряд и разряд паразитной ёмкости происходит через открытый транзистор, поэтому длительность фронта и длительность среза примерно одинаковы:  _СР =  _ФР