1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить характеристикиключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП) и базовых схем логическихэлементов КМОП, используя возможности программы MC8DEMO. Изучить содержаниепроцессов в формирователях импульсов на базе ЛЭ КМОП и проявления гонок (состязаний)в цифровых схемах.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОРАБОТЕ БАЗОВОЙ СХЕМЫ КМОП
КМОП обозначаетполучившую широкое распространение технологию изготовления ИС. Особенностью ИСКМОП является использование
/>
в качестве базовой схемыкомплементарного ключа (рис.1), состоящего из ключевого транзистора Tn инагрузочного – Tp. Ключевой транзистор c индуцированным каналом Tnимеет канал n-типа (отпирание транзистора Tnпроисходит при />>/>, /> - порог отпирания n-канальноготранзистора), а нагрузочный транзистор с индуцированным каналом Tp– канал p-типа (отпирание нагрузочного транзистора Tpпроисходит при />, /> - порог отпирания p-канальноготранзистора).
Управляющее напряжение /> воздействует одновременнона ключевой и нагрузочный транзисторы, вид вольт-амперной характеристикинагрузки под воздействием /> меняется,поэтому комплементарный ключ рис.1 является ключом с нелинейной активной нагрузкой.
Когда напряжение /> мало, />/> - ключевой транзистор Tn закрыт(через него протекает только весьма малый ток утечки), но нагрузочныйтранзистор Tp при этом открыт, его напряжение затвор-исток более отрицательное,чем />, так как
/>.
В режиме замкнутого ключа(максимальной проводимости канала) МОП-транзистор представляет собой некотороесопротивление Rт между истоком и стоком(сопротивление канала), зависящее от напряжения на затворе. Величина этогосопротивления аналитически выражается формулой
/>, (1 )
где /> — параметр МОП-транзистора(удельная крутизна), /> - соответственнонапряжение на затворе и пороговое напряжение. При максимальных значениях /> в зависимости от типатранзистора это сопротивление составляет Rт />200 Ом… 500 Ом для n-канальных транзисторов, для p-канальных – оно примерно в 3 раза больше.
При />/> статическому состояниюключа рис.1
/>
соответствует простейшаясхема замещения рис.3, а, в которой запертый транзистор Tn представленразрывом всех его выводов, а открытый транзистор Tp — эквивалентнымрезистором Rт2между стоком и истоком. В таком статическом состоянии />.
При больших значенияхнапряжения /> в схеме рис.1, когда />/>>/>, ключевой транзистор Tn открыт,а нагрузочный Tp – закрыт, так как
/>/>/>/>>/>.
Такому статическомусостоянию ключа рис.1 соответствует простейшая схема замещения рис.3, б, вкоторой запертый транзистор Tp представлен разрывом всех еговыводов, а открытый транзистор Tn — эквивалентным резистором Rт1 между стоком и истоком. В такомстатическом состоянии />.
Как следует из моделейрис.3а, б, комплементарный ключ не потребляет тока в обоих статическихсостояниях, когда /> и когда />>/>. Ключ потребляет токтолько в режиме переключения. Такое свойство комплементарного ключа определяети другие его достоинства:
— напряжения логическихуровней /> и /> обеспечивают максимальнуювеличину логического перепада напряжения — />;
— высокое быстродействие(в схеме нет статического тока — сопротивления проводящих каналов могут бытьснижены и, следовательно, скорости перезаряда емкостей повышены);
— ключ сохраняетработоспособность при изменении питающего напряжения /> в широких пределах и можетработать с нестабилизированным питанием;
— малая мощностьпотребления при низких и средних частотах переключения;
— большая нагрузочнаяспособность при низких и средних частотах переключения;
— малая зависимостьрабочих характеристик от температуры.
Входное сопротивлениеМОП-транзисторов независимо от их состояния очень велико: />. Из-за очень высокоговходного сопротивления и небольшого напряжения пробоя МОП-транзисторы могутбыть повреждены статическим электричеством. Это требует принятия мер, препятствующихвозникновению статического заряда в транзисторе при хранении и монтаже.
Логические элементы КМОПимеют специальную диодно-резисторную схему защиты от статическогоэлектричества, пример такой схемы приведен на рис.2. Положительный статическийзаряд стекает на шину питания, если потенциал затвора превышает потенциал шиныпитания на величину напряжения отпирания диодов D2, D3. Отрицательный статический заряд стекает на общую шину через диоды D1, D4. Резистор R1нужен для ограничения токов в защитных диодах.
Физическая структураключа КМОП, содержащая схему защиты, и ее эквивалентная схема могут бытьразличными, следовательно, различаются и входные характеристики. Входные токи,обусловленные отпиранием защитных диодов, следует принимать во внимание при использованиилогических элементов КМОП в импульсных схемах с конденсаторами (генераторы, формирователиимпульсов). В цифровых схемах входные напряжения в КМОП-ключах меняются впределах логического перепада (/>),поэтому все защитные диоды закрыты и не влияют на работу КМОП-ключа. В дальнейшемцепи защиты, как правило, показываться не будут.
Характеристики выходноготока, которые необходимо знать при работе КМОП-ключа на резистивную и емкостнуюнагрузку, определяются выходными характеристиками используемых транзисторов Tnи Tp. В каждом из двух статических состояний ключа выходной ток равен токустока открытого транзистора. В первом состоянии (на выходе ключа – логическийнуль) этот ток /> втекает изамыкается через Tn, во втором (логическая единица на выходе) ток /> – вытекает, замыкаетсячерез Tp.
Схема замещения открытоготранзистора, определяющая величину втекающего /> иливытекающего /> тока, выбирается взависимости от значения рабочего напряжения сток-исток />, />. КМОП-ключ по выходу можетбыть представлен эквивалентным двухполюсником, который в крутой области выходныххарактеристика транзистора при />является резистором ссопротивлением, зависящим от />:
/>, (2 )
а в пологой области, при/>/> /> - зависимым генераторомтока />:
/>. ( 3 )
Параметры передаточной,входной и выходных характеристик КМОП-ключей имеют большой разброс. Такпороговое напряжение /> может изменятьсяот 1 до 5 В. Поэтому напряжение питания выбирается из условия />и составляет обычно />… 9 В. Для разных типов микросхем КМОП выходные токи могутсильно отличаться (до 10 и более раз) из-за различия размеров каналов n- иp-канальных транзисторов.
Характеристики ЛЭ КМОПподвержены также влиянию температуры. Меняется пороговое напряжение />, выходные токи. Пороговоенапряжение с ростом температуры уменьшается.
Обозначения ИС КМОП,выпускаемых различными фирмами, содержат название серии ИС, определяющеетехнологию производства (семейство) и идентификаторы, определяющиефирму-производителя, рабочий температурный диапазон, тип корпуса. Всправочниках по ИС КМОП идентификаторы могут не приводиться. Примеры: семействоCD4000, CD4000A, CD4000В – фирма RCA (отечественные серии 164, 176, 564, 561,); семейство MС1400 – фирма Motorola (КР1561),семейство HC – фирма National Semiconductor (1564), семейство AC –фирма Texas Instruments Inc. (КР1554). Базовые схемыИС КМОП разных серий имеют свою физическую структуру и имеют соответствующиефизические параметры, обеспечивающие взаимную совместимость.
Статические режимы влогических элементах КМОП характеризуются стандартными параметрами, к которымотносятся уровни входных и выходных напряжений:
/>/> — входное напряжение высокого уровня(логической единицы),
/>/> — входное напряжение низкого уровня(логического нуля),
/>/> — выходное напряжение высокого уровня(логической единицы),
/>/> — выходное напряжение низкого уровня(логической единицы),
/> - порог переключения.
Стандартные динамическиепараметры ЛЭ характеризуются временами задержки />припереходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий, /> — при переходе выходногосигнала с низкого уровня на высокий или средним временем задержки сигналов в ЛЭ- />
Быстродействие схем сМОП-транзисторами ограничивается значениями выходных токов и величиной межэлектродныхемкостей: затвор-исток />, затвор-сток />, подложка-сток />, подложка-исток /> и емкостью нагрузки />.
Характеристикибыстродействия для разных серий ИС КМОП могут сильно отличаться. Так указанныевыше в качестве примера ИС серий CD4000, CD4000A, CD4000В, MС1400 имеют общий недостаток – малыезначения выходных токов и, соответственно, низкое быстродействие (времязадержки сигналов /> достигает сотеннаносекунд). Вместе с тем, ИС семейства HC (HC – Нigh speed CMOS) имеют среднее время задержкибазового элемента />= 10 нс, как убазового элемента ТТЛ. Еще большее быстродействие имеют ИС КМОП серий AC (AC-AdvancedCMOS) – среднее время задержкибазового элемента этой серии />= 3,5нс.
3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫКМОП
Логические элементы (ЛЭ)на комплементарных ключах получаются соединением группы последовательновключенных транзисторов одного типа с группой параллельно включенныхтранзисторов другого типа. Причем число транзисторов в каждой группе равночислу входов схемы, рис.4, а, б.
/>
ЛЭ, построенный по схемерис.4, а, реализует логическую операциюИЛИ-НЕ. Если среди входных сигналов есть хотя бы один сигнал высокого уровня(логическая единица), то в группе последовательно соединенных транзисторов Tp найдется хотя бы один запертый транзистор, а в группе параллельносоединенных транзисторов Tn – хотя бы один проводящий. Состояниесхемы соответствует схеме замещения рис.3, б,выходное напряжение равно нулю (логический нуль). Логическая единица для схемырис.4, а, следовательно, является активнымзначением логической переменной.
При нулевом напряжении навсех входах (на всех входах логические нули) все n-канальные транзисторызаперты, а p-канальные – проводят, поэтому состояние схемы соответствует схемезамещения рис.3, а, выходное напряжение равно EП(логическая единица). Логический нуль, следовательно,- пассивное значение логической переменной для схемы рис.4, а.
Таблица истинности,которая получается в результате проведенного анализа схемы, соответствуетлогической операции ИЛИ-НЕ.
Нетрудно убедиться,проведя анализ схемы рис.4, б аналогичным способом, что для нее активнымзначением логической переменной является логический нуль, а пассивным –логическая единица, следовательно, схема рис.4, б реализует логическую операциюИ-НЕ.
Неиспользуемые входы в ЛЭКМОП оставлять свободными (никуда не подключать) нельзя. Неиспользуемые входылибо объединяются с используемыми, либо на них подается напряжение, соответствующеепассивному сигналу (0 – для элементов ИЛИ-НЕ, Еп –для элементов И-НЕ).
4. ФОРМИРОВАТЕЛИ КОРОТКИХИМПУЛЬСОВ
Формирователи импульсоввыполняют преобразование входных импульсных сигналов с целью получения новыхсигналов с определенными нормированными временными характеристиками. Такимиустройством может быть, например, формирователь коротких импульсов заданнойдлительности, привязанных к каждому положительному (отрицательному, положительномуи отрицательному) перепаду входного сигнала или устройство задержки входныхимпульсных сигналов на заданное время и т.п. Времязадающим элементом,определяющим длительность формируемых импульсов, может быть ЛЭ КМОП.
На рис.5 приведен примерсхемы формирователя, в котором
/>
для каждогоположительного перепада сигнала Xвырабатываются короткие импульсы Y и Y1. Анализ схемы показывает, что длительность выходныхимпульсов определяется задержкой, которую вносят логические элементы A4, A5, A6 для сигнала />, поступающего на нижнийвход логического элемента А2.
Если длительностьвыходных импульсов велика, количество элементов задержки может оказаться нерациональнобольшим. В таком случае целесообразно использовать в качестве узла задержки всхеме рис.5 времязадающую RC-цепьинтегрирующего типа. Схема формирователя импульсов в таком случае принимает видрис.6. Инерционная цепь R1,C1 увеличивает длительностьпереходных процессов в цепи
/>
задержки сигнала X и позволяет получить необходимую длительность выходныхимпульсов.
В качестве времязадающейцепи в формирователях импульсов используется также RC-цепь дифференцирующего типа. Пример такой схемы приведен нарис.7.
/>
5. ПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТАГОНОК В ЦИФРОВЫХ СХЕМАХ
Приведенная на рис.5схема может рассматриваться как простейший пример, показывающий возникновениегонок (состязаний) в цифровых устройствах. Гонки возникают из-за неравенствазадержек физических сигналов X и />, поступающих на входы ЛЭ А2, вследствие чего перекрываются во времени их единичныезначения. Выходной физический сигнал Y изменяетсядважды: когда возникает перекрытие и когда оно заканчивается – формируетсяимпульс. В идеальной схеме, когда задержка сигналов в ЛЭ отсутствует (/>), на выходе ЛЭ А2 – не изменяющийся высокий уровень напряжения, так как />.
Анализ работы схемы,приведенной на рис.8 и в которой имеют место гонки, приводит к выводу о том,что временное рассогласование поступления сигналов на входы элемента A2 меньше,чем временное рассогласование сигналов на входах элемента А3. Следовательно,импульсы на выходах Y и Y1 отличаются по длительности и могут отличаться по амплитуде. Замена ЛЭИЛИ-НЕ в схеме рис.8 на элементы И-НЕ дает схему с такими же свойствами. Из-заразброса
/>
параметров динамическиххарактеристик ЛЭ КМОП параметры выходных импульсов могут изменяться в большомдиапазоне значений. Поэтому риск сбоя в работе цифровых устройств из-запоявления импульсов, не предусмотренных логикой их работы, носит вероятностныйхарактер.
6. ПРОГРАММА РАБОТЫ
6.1 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
Изучить:
а) характеристики полевыхтранзисторов с индуцированным каналом n-типаи p-типа (входную />, проходную />, выходные />,
б) физику работы ключаКМОП, его модели в статических состояниях и характеристики (входную />, передаточную />, выходные />, потребления тока отисточника питания />),
в) физику работы базовыхсхем И-НЕ КМОП и ИЛИ-НЕ КМОП и их таблицы истинности,
г) статическиехарактеристики ЛЭ КМОП при изменении напряжения питания />,
д) факторы, влияющие надлительность переходных процессов в ключах КМОП, и физику переключения ключа,
е) принцип построения исхемы формирователей коротких импульсов,
ж) факторы, обусловливающиегонки и влияние гонок на функциональную надежность цифровых устройств.
6.2 ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
(Результаты по всемпунктам программы работы документировать и включить в отчет)
1. Вызвать программуMicro-Cap (ярлык Micro-CapEvaluation 8.0)
2. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-1.CIR) и исследовать
Схему 1:
/>
а) получить передаточнуюхарактеристику (ПХ) и характеристику входного тока ключа (Analysis > DC… > Run);
б) определить по нимзначения входного напряжения, при которых открываются транзисторы Т1, Т2 и защитные диоды;
в) определить и объяснитьзначения статических уровней ПХ;
г) получить статическиехарактеристики схемы при вариации напряжения питания (DC > Stepping > Step It Yes> OK > F2);проследить за изменением формы характеристик, задокументировать и объяснитьизменения;
д) выключить режимвариации напряжения питания и выйти из режима анализа (DC > Stepping > Step It No >OK > F3);
е) получить переходныехарактеристики ключа (Analysis>
Transient > Run), определить стадии переходныхпроцессов при включении и выключении схемы, их длительность и среднее времязадержки;
ж) получитьхарактеристики переключения схемы при вариации напряжения питания (Transient > Stepping > Step ItYes > OK > F2);проследить за изменением формы характеристик, задокументировать и объяснитьизменения;
з) выключить режимвариации напряжения питания и выйти из режима анализа (Transient > Stepping > Step ItNo > OK > F3);
и) закрыть Схему 1 (File > Сlose > No Save...).
2. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-2.CIR) и исследовать
Схему 2:
/>
а) получить статическуюхарактеристику выходного напряжения от значения статического напряжения наодном из входов ключа (Analysis> DC… > Run),объяснить поведение и параметры полученной характеристики;
б) выйти из режимаанализа (F3);
в) получить и объяснитьтаблицу истинности, задавая различные статические уровня напряжения на входах X2, X1, X0 (Analysis >
Transient > Run),
г) выйти из режимаанализа (F3);
д) закрыть Схему 2 (File > Сlose > No Save...).
3. Открыть Схему 3 (File > Open > DATA RUS >2p-3.CIR) и выполнитьдля нее п.п.2 а), б), в), г), д).
/>
4. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-4.CIR) и исследовать
Схему 4:
/>
а) получить и объяснитьстатические передаточные характеристики схемы – V(Y,Y1) = f(V(X)) (Analysis> DC… > Run);
б) выйти из режимаанализа (F3);
в) получить временныедиаграммы сигналов Y(t)и Y1(t) (Analysis >
Transient > Run) при воздействии на вход схемыпериодического импульсного сигнала U1(t)c заданными параметрами, сопоставить сигналы Y(t) и Y1(t) с значениями статических уровней, полученными в п. а),объяснить различия;
г) измерить и обосноватьдлительность выходных импульсов Y(t) иY1(t) и их временное положениеотносительно входных;
д) выйти из режимаанализа (F3);
е) закрыть Схему 4 (File > Сlose > No Save...).
5. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-5.CIR) и исследовать
Схему 5:
/>
а) получить и объяснитьстатические передаточные характеристики схемы – V(Y,Y1) = f(V(X)) (Analysis> DC… > Run);
б) выйти из режимаанализа (F3);
в) получить временныедиаграммы сигналов Y(t)и Y1(t) (Analysis >
Transient > Run) при воздействии на вход схемыпериодического импульсного сигнала U1(t)c заданными параметрами, сопоставить сигналы Y(t) и Y1(t) с значениями статических уровней, полученными в п. а),объяснить различия;
г) измерить и обосноватьдлительность выходных импульсов Y(t) иY1(t) и их временное положениеотносительно входных; сопоставить результаты с п.4.г) и объяснить различия;
д) получить временныедиаграммы сигналов Y(t)и Y1(t) при вариации сопротивлениярезистора R1 (Transient > Stepping > Step It Yes > OK > F2); проследить за изменением их формы,задокументировать и объяснить изменения;
е) выключить режимвариации сопротивления резистора и выйти из режима анализа (Transient > Stepping > Step ItNo > OK > F3);
ж) закрыть Схему 5 (File > Сlose > No Save...).
6. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-6.CIR) и исследовать
Схему 6:
/>
а) получить и объяснитьвременные диаграммы времязадающего напряжения и сигналов Y(t) и Y1(t) (Analysis >Transient > Run) при воздействии на вход схемы периодическогоимпульсного сигнала U1(t) c заданными параметрами;сформулировать и проанализировать факторы, определяющие длительность выходныхимпульсов и их временное положение;
б) получить временныедиаграммы при вариации сопротивления резистора R1 (Transient >Stepping > Step It Yes > OK > F2); проследить за изменением их формы, задокументировать иобъяснить изменения;
в) выключить режимвариации сопротивления резистора и выйти из режима анализа (Transient > Stepping > Step ItNo > OK > F3);
г) закрыть Схему 6 (File > Сlose > No Save...).
6. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-7.CIR) и исследовать
Схему 7:
а) получить и объяснитьстатические передаточные характеристики схемы – V(Y,Y1) = f(V(X)) (Analysis> DC… > Run);
б) выйти из режимаанализа (F3);
в) получить временныедиаграммы сигналов Y(t)и Y1(t) (Analysis >
Transient > Run) при воздействии на вход схемыпериодического импульсного сигнала U1(t)c заданными параметрами; сформулировать вывод о величине риска сбоя работыцифрового устройства,
/>
построенного на ИС КМОП,сигналами Y(t) и Y1(t).
г) выйти из режимаанализа (F3);
д) закрыть Схему 7 (File > Сlose > No Save...).
7. Открыть (File > Open > DATA RUS >2p-8.CIR) и исследовать
Схему 8:
/>
а) сопоставитьконфигурацию, состав Схемы 8 и Схемы 7, проанализировать работу исформулировать вывод об их свойствах и наличии гонок в Схеме 8; построитьвременные диаграммы сигналов Y(t) и Y1(t);
б) выполнить для Схемы 8 п.п.7а), б), в), г), д);
8. Получить упреподавателя дополнительное задание по работе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Разевиг В.Д. Схемотехническоемоделирование с помощью Micro-Cap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368с.
2. Импульсные и цифровые устройствана интегральных микросхемах КМДПТЛ: Руководство к лабораторной работе № / Сост.Сальников Н.И.– Рязань.: РРТИ, 1984. — 16 с.
3. Сальников Н.И., Белкин А.П.,Соколов Ю.П. Импульсные устройства на интегральных логических элементах:Учебное пособие. – Рязань: РРТИ, 1986. – 72 с.
4. Зельдин Е.А. Цифровые интегральныемикросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. — Л.: Энергоатомиздат.,1986. – 280 с.
5. Алексенко А.Г., Шагурин И.И.Микросхемотехника: Учеб. пособие. – М.: Радио и связь, 1982. – 416 с.
6. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я.Цифровые устройства: Учеб. пособие. СПб.: Политехника, 1996.