Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 33
Текст из файла (страница 33)
В примере на рис. 3.27 напряжение Тевенина для активной нагрузки, с учетом ее подключения к шине питания Рос, определяется сопротивлениями резисторов ! кОм и 2 кОм, которые образуют делитель напряжения: 2 кОм 1 Тгм 5.0 В = 3.33 В 2 кОм+ 1 кОм Ток короткого замыкания равен (5.0 В) г(! кОм) = 5 мА, так что сопротивление Тевенина равняется (3.33 В) l (5 мА) = 667 Ом. Сведущий читатель может увидеть, что эта величина равна сопротивлению параллельно включенных резисторов с сопротивлениями 1 кОм и 2 кОм.
Когда на вход КМОП-инвертора подан сигнал вькюкого уровня, выходной сигнал должен иметь низкий уровень; реальное выходное напряжение можно предсказать, используя резистивную модель, показанную на рис. 3.28. Транзистор с р-каналом «закрыт» и его сопротивление столь велико, что им можно пренебречь в последующих вычислениях. Транзисюр с п-каналом «открыт» и имеет малое сопротивление порядка 100 Ом. (Фактическое сопротивление «открытого» транзисюра зависит от конкретного КМОП-семейства и от других характеристик н обстоятельств, например, от рабочей температуры и от того, была ли данная схема изготовлена в «хороший» день.) «Открытый» транзистор и эквивалентный резистор йть, показанные на рис.
3.28, образуют простой делитель напряжения. Результирующее выходное напряжение можно найти следующим образом: 1 гдгт = 3 33 В ' (! 00/(! 00+ 667)) = 0 43 В. Точно так же, когда на входе инвертора действует сигнал низкого уровня, выходной сигнал должен иметь высокий уровень, и фактическое выходное напряжение можно определить, воспользовавшись моделью, приведенной на рис. 3.29. Предположим, что сопротивление «открытого» р-канального транзистора равно 200 0м. Снова,«открытый»транзистор и эквивалентныйрезистор йт „указанные на рисунке, образуют простой делитель напряжения; результирующее выходное напряжение можно рассчитать следующим образом: $'0ггт = 3.33 В+ (5  — 3.33 В).
(667/(200+ 667)1= 4,61 В. 13ей Глава 3. Цифровые схемы Экеиеаепнаа онмааквнюа Усс =+5 0В 'е'сн --+5.0В Фо: 1нан~ Рис. 3.28. Резистивная модель выходной цепи КМОП-инвертора с активной омической нагрузкой при низком уровне выходного напряжения Экеиннмнома скнеамеииюй омикиемй икрами согласно Усс = +5.0В йг,=ое.оВ й!й «овл Рис. 3.29. Резистивная модель выходной цепи КМОП-инвертора с активной омической нагрузкой при высоком уровне выходного напряжения На практике потребность вычислять выходные напряжения так, как это сделано в предыдущих примерах, встречается редко.
Действительно, изготовители ИС обычно не указывают эквивалентные сопротивления «открытых» транзисторов, поэтому у вас отсутствовала бы необходимая информация, пожелай вы все же провести такой расчет. Вместо этого производители указывают максимальную нагрузку на выходе для каждого из уровней — высокого (Н1ОН) и низкого (1.0'не') — и гарантируют определенное выходное напряжение при такой нагрузке в самом плохом случае. Нагрузка определяется на основании известных токов: 1 — максимальный ток, втекающий в схему со стороны ее выхода при низком уровне и при условии, что выходное напряжение не больше р е — максимальный ток, вытекающий из схемы со стороны ее выхода при Онпеах высоком уровне и при условии, что выхолное напряжение не меньше Онгпи' 3.3. Электрические характеристики КМОП-схем 136 Иллюстрацией этих определений служит рис.
3.30. Говорят, что через выход схемы течет впекающий ток (л(н)олд сиггенг), когда он протекает от источника питания в нагрузке по нагрузке и по выходной цепи устройства на землю, как показано на рис. 3,30(а). Говорят также, что через выход течет вытекающий ток (зоигс(пд ~ъл енг) в том случае, когда его путь проходит от источника питания в схеме по ее выходной цепи н по нагрузке на землю, как это изображено на рис. 3.30(Ь).
(а) тсс (щ гсс *в мак цм 7м' гм й гж гь м зю. рис. 3.30. Схемы, иллюстрирующие определение токов; (а) )„,~,„; (Ы ) Большинство КМОП-схем имеет две совокупности нагрузочных характеристик. Одна нз них — для «КМОП-нагрузки», когда выход схемы подключен ко входам других КМОП-схем, потребляющих очень небольшой ток. Другой набор характеристик — для «ТТЛ-нагрузки», когда выход соединен с активной ом ической нагрузкой типа входов ТТЛ-схем или с другими устройствами, потребляющими существенный ток.
В качестве примера в табл.3.3 приведены выходные характеристики КМОП-схем серии г(С, и они повторены в табл. 3.4. Обратите внимание, что выходной ток для высокого уровня выражается отрицательным числом. Обычно принято считать, что электрический ток (сиггео(лом), измеряемый на выходе устройства, положителен, если он вглекаегл в устройство; при наличии высокого уровня на выходе вентиля ток вытекает из него. Табл. 3.4. Выходные нагруэочные характеристики для КМОП-схем серии НС при напряжении питания 4.5 В 1 выли с оь с г он ° с К он ию Максимальный выходной ток низкого уровня (мА) Максимальное выходное напряжение низкого уровня (В) Максимальный выходной ток высокого уровня (мА) Мнннмачьнос выходное напряжение высокого уровня (В) Обоанач.
Величина Обознач. Величина 0'02 оь т 4.0 03 К „0.33 он т — 4.0 4.4 К „,„~ З.Х4 133 Глава 3. Цифровые схемы Как следует из таблицы, при КМОП-нагрузке выходное напряжение КМОП- вентилей поддерживается на уровнях, отличающихся от потенциала земли и от напряжения питания не более чем на 0.1 В. При ТТЛ-нагрузке выходное напряжение может измениться, но совсем немного. Обратите также внимание на то, что при одном и том же выходном токе («4 мА) максимальное уменьшение напряжения высокого уровня относительно напряжения питания (0.66 В) вдвое больше, чем максимальное напряжение низкого уровня (0.33 В).
Это означает, что р-канальные транзисторы в КМОП-схемах серии НС имеют большее сопротивление в «открытом» состоянии, чем транзисторы с л-каналом. Это естественно, так как в любой КМОП-схеме сопротивление «открытого» р-канального транзистора более чем вдвое превосходит сопротивление «открытого» транзистора с л-каналом при одной н той же площади.
Равные падения напряжения для обоих уровней можно получить путем изготовления транзисторов с р-каналом много ббльших размеров, чем транзисторов с л-каналом, но по различным причинам зто не было сделано. В данной ситуации дяя определения величины втекающего нли вытекающего тока можно воспользоваться законом Ома. На рис. 3 28 «открытый» транзистор с и- каналом представлен 100-омным резистором, падение напряжения на котором составляет 0 43 В; поэтому втекающий ток равен (0 43 В) /(100 Ом) = 4 3 мА.
Аналогичноно «открытый» транзистор с р-каналом, изображенный на на рнс. 3.29 в виде 200 омного резистора, обеспечивает вытекающий ток (О 39 В) l (200 Ом) = 195 мА. Фактически сопротивления «открытых» выходных транзисторов КМОП-схем, как правило, в справочных данных не приводятся, поэтому не всегда можно воспользоваться точными моделями, приведенными выше. Однако сопротивления «открытых» транзисторов можно оценить, используя следующие соотношения, опирающиеся на обычно сообщаемые параметры: ид -~д)й (в (1.<ОН<па Т ~ ОЬпахТ "в(оп) ТО(пвпхТ В этих соотношениях используется закон Ома, и сопротивления <<открытых» транзисторов определяются как частное отделения напряжения на транзисторе на ток, протекающий через него прн активной омической нагрузке в наихудшем случае.
Используя численные значения токов и напряжений, приведенные для КМОП- схем серии НС в табл. 3.4, можно подсчитать, что й = 175 Ом, а<< = 82.5 Ом. р(оп] ' п(оп) Очень хорошие оценки выходного тока в наихудв<ей си»<уалии можно получить полагая, что на «открытом» транзисторе нет «икак<мо падения напряжения. Это предположение упрощает анализ и дает приемлемый результат, который почти всегда достаточно хорош для практических целей. Например, на рис.
3.31 показан КМОП-ннвертор, выход которого подключен к такой же нагрузке, представленной по теореме Тевенина в виде эквивалентной схемы, какой мы воспользовалнсь 3.3. Электрические херектеристикиКМОП-схем 137 в предыдущих примерах. Резиспвная модель выходной цепи не показана„посюльку в этом больше нет необходимости; мы предполагаем, что на «открытых» КМОП- транзисторах нет никакого падения напряжения. При наличии на выходе низкого уровня (рис.3.3! (а)1, все напряжение источника в эквивалентной схеме нагрузки, равное 3.33 В, приложено к резистору /еть, и втекаюший ток примерно равен (3 33 В) / (667 Ом) = 5 0 мА.
Согласно рис. ™331((й) при высоком уровне на выходе и в предположении, что напряжение питания равно 5.0 В, падение напряжения на резисторе /е составляет 1.67 В, а вытекающий ток примерно равен (1.67 В) / (667 Ом) = 2.5 мА. Эюинеюгигеи мими е киме за кмоп. ами и«мй нматзки сагиисна М,а ей»В неман» / Экммилеинезсммзгмммкв ((Э) аммгмиай мгегпыаилмлм исе мкав иеаеметеюнииа ймопг ИНГ4ЛОР ' ")(»гг м'йТ7енй (а) и„= ыен гзис.
3. 31. Оценка втекающего н вытекающего токов: (а) низкий уровень на вы- ходе; (Ь) высокий уровень на выходе Важным свойством КМОП-инвертора (или любой другой КМОП-схемы) является то, что выходная цепь сама по себе потребляет очень небольшой ток при любом из уровней сигнала на выходе — высоком или низком. В каждом нз этих случаев один из транзисторов находится в «закрытом» состоянии и его сопротивление велию.
Весь ток, о котором мы говорили, течет только тогда, когда к выходу КМ ОП-схемы подзоеючена активная ом ическая нагрузка. Если нагрузка отсутствует, то ток не течет„и потребляемая мощность равна нулю. Однако прн подключенной нагрузке токи текут н через нагрузку, и через «открытый» транзистор, и в том и в другом рассеивается мощность. ПРАВДАО ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ Как уже говорилось ранее, сопротивление «закрытого» транзистора превышает один мегаом, но не бесконечно. Поэтому реально через «закрытый» транзистор течет очень маленький ток утечки н выходная цепь КМОП- схемы потребляет соответственно малую, но отличную от нуля мощность. В большинстве случаев эта мощность настолько мала, что ею можно пренебречь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
