Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Обычно она бывает существенна только в «дежурном режиме» прн питании от аккумуляторов устройств типа лэптопа, на котором первоначально была набрана эта глава. 138 Глава 3. Цифровые схемы 3.5.3. Поведение схемы с неидеальными входными сигналами (Ь) «се =+5.0В ~ ° ы г =+э.ав ы (а) «з~в ъ'м — -3.5В Ф~" хост = 0.24в тж - -ь5 в Ц" .':::. Рис. 3.32.
КМОП-инвертор с неидеальными входными напряжениями: (а) экви- валентная схема при входном напряжении 1.5 В; (Ь) эквивалентная схема при входном напряжении 3.58 Например, ва рис. 3.32(а) показано возможное поведение КМОП-инвертора при напряжении на входе 1.5 В. Сопротивление транзистора с р-каналом в этой ситуации удваивается, а транзистор с и-каналом начинает открываться. (Указанные значения сопротивлений приняты простое целью иллюстрации; фактические значения зависят от конкретных характеристик транзисторов.) Указанное на этом рисунке выходное напряжение„равное 4 3! В, все еще находится в пределах допустимого диапазона для сигнала высомэю уровня, но все же отличается от идеального значения 5.0 В.
Аналогично, при входном напряжении 3.5 В [рис. 3.32(Ь)) низкий уровень выходного сигнала составляет 0.24 В, а не 0 В. Небольшое изменение выходного напряжения обычно допустимо; хуже то, что выходная цепь теперь потребляет заметную мощность. Ток, понапрасну текущий через инвертор при напряжении на входе 1.5 В, равен У т .1 = 5,0 В/(400 Ом+25 кОм)=1,72 мА а понапрасну растрачиваемая мощность составляет Р м4 = 5 0 В' 1»,аи«4 = 8.б2 мВт До сих пор мы предполагали, что высокому и низкому уровням на входах КМОП- схем соответствуют идеальные напряжения, очень близкие к напряжению питания и к нулю.
Однако поведение реального КМОП-инвертора зависит от входного напряжения не в меньшей степени, чем отсвойств нагрузки. Если входное напряжение не близко к напряжению источника питания, то «открытый» транзистор не может быть полностью открыт и его сопротивление может возрасти. Аналогично «закрытый» транзистор не может быть полностью закрыт и его сопротивление может оказаться много меньше одного мегао ма. Вместе эти два эффекта приводят к тому, выходное напряжение заметно отличается от напряжения питания или от нуля.
3.5. Электрические характеристики КМОП-схем 139 При наличии активной омической нагрузки происходит дополнительное изменение выходного напряжения КМОП-инвертора. Такая нагрузка может иметь место по совершенно разным причинам, рассмотренным ранее. Рис. 3.33 иллюстрирует возможное поведение КМОП-инвертора с активной омической нагрузкой, При 1. 5-вольтовом входном напряжении выходное напряжение, равное 3.98 В, все еще находится в пределах допустимого диапазона для сигнала высокого уровня, но оно далеко от идеального значения 5.0 В. Аналогично, при входном напряжении 3.5 В, как показано на рис.
3.34, напряжение сигнала низкого уровня на выходе равно 0.93 В, а не 0 В. 'сс =+5 ОВ Эквивалентная схема активной гласно теореме а Рис. 3.33. КМОП-инверторс нагрузкой и неидеальным входным напряжением, равным 1.5 В тгсс =+5 ОВ Эквивалентная схема активной согласно теореме на тгм =+3,5В Сй';: (Н!ОН) Рис. 3.34. КМОП-инвертор с нагрузкой и неидеальным входным напряжением, Равным 3.5 В В «чнсп оо> КМОП-снстемах все логические схемы принадлежат КМОП-семейству. Поскольку КМОП-схемы имеют очень высокое входное сопротивление, они в очень малой степени нагружают собой выходы КМОП-схем, к которым они подключены. Поэтому все выходные уровни КМОП-схем остаются очень близкими к напряжению источника питания, равному 5 В, или к потенциалу земли, равному 140 Глава 3. Цифровые схемы 0 В, и совсем нет схем, в выходных цепях которых мощность рассеивается понапрасну.
С другой стороны, если входы КМОП-схем соединены с выходами ТТЛ- схем или на входы КМОП-схем поданы неидеальные логические сигналы, то в выходных цепях КМОП-схем рассеивается мощность, как описано в этом разделе. Кроме того, если к выходам КМОП-вентилей подключены входы ТТЛ-схем или другая активная омическая нагрузка, то, как показано в предыдущем разделе, в выходных цепях также рассеивается неюторая мощность. 3.5.4. Коэффициент разветвления по выходу Коэффициент разветвления по выходу (погрузочная способность; (апоиг) логического вентиля — это число входов, которые можно подключить к нему, ве нарушая предельных требований по нагрузке.
Коэффициент разветвления по выходу зависит не только от характеристик схемы по выходу, но также и от свойств подключаемых к ней входов. Разветвл ение по выходу необходимо контролировать в обоих возможных случаях, когда сигнал на выходе имеет высокий уровень и низкий уровень. Например, в табл. 3.4 указано, что максимальный выходной ток У при низком уровне напряжения на выходе КМОП-вентиля серии НС и при его работе ва входы КМОП-схем равен 0.02 мА (20 мкА). Раньше мы также установили, что максимальный входной ток ), у КМОП-схем серии НС при любом состоянии составляет ~! мкА. Поэтомуьккоэффициент разветвления по выходу низкого уротт (ьОИ'мгаге(апоиг) для вентилей серии НС, нагруженных схемами этой же серии, равен 20. В табл. 3.4 указано также что, максимальный выходной ток 1 и с при высоком уровне напряжения на выходе составляет оннакс — 0.02 мА ( — 20 мкА).
Поэтому, коэффициент разветвления по выходу высокого уровня (Н!СН-згагегапоиг) для вентилей серии НС, нагруженных схемами этой же серии, также равен 20. Заметим, что коэффициенты разветвления по выходу низюго уровня и высокого уровня не обязательно равны. Вообще, полный коэффициент разветвления по выходу (огегай Гапоиг) равен меньшему из коэффициентов низкого уровня и высокого уровня и в предыдущем примере составляет 20.
В только что рассмотренном примере предполагалось, что необходимо сохранить значения выходных напряжений КМОП-вентиля, которые отличаются не более чем на 0.1 В от напряжения питания и от 0 В. Если мы пловы согласиться с нес волью худшими условиями на выходе, как у ТТЛ-схем, то для расчета коэффициента разветвления по ьоюду можно испошаовшьдругнезнв»евнявыходвыхтоизв,а именно! и/он равные, как это следует из табл.3.4, соответственно 4.0 мА и -4.0 мА. Поэтому коэффициент разветвления по выходу вентилей серии НС, нагруженных схемами этой же серии, при уровнях, соответствующих ТТЛ-схемам равен 4000; очевидно, что в этом случае ограничения практически нет.
Все это хорошо, но не совсем. Только что проведенные вычисления дают нам коэффициент разветвления по выходу для постоянного тока (0Суапоиг), равный по определению, числу входов, которые можно полключить к выходу с фиксированныт уровнем сигнала (высоким или низким). Олнако даже в том случае, югда требования разветвления по выходу лля постоянного тока выпал иены, выход КМОП-схемы может не вести себя удовлетворительно при переходах от низкого 3.5. Электрическиехарактеристики КМОП-ахеи 141 уровня к высокому уровню или в обратную сторону, если к нему подключено большое число входов. Во время переходов выходной ток КМОП-схемы должен заряжать или разряжать паразитную входную емкость схем, подключенных к этому выходу.
Если емкость слишком велика, то переход от низкого уровня к высокому уровню (или наоборот) может оказаться слишком медленным, приводя к некорректной работе системы, Способность выходной цепи заряжать и разряжать па раз итную емкость иногда называют коэффиниенгном разветвления но выходу для переменного шока (АС Голоиг), хотя он редко вычисляется так же точно, как коэффициент разветвления по выходу для постоянного тока. Как мы увидим в разделе З.б.!, это больше вопрос о том, на какое снижение быстродействия можно согласиться.
3.5.5. Влияние нагрузки Нагрузка выхода сверх номинапьной величины приводит к следующим послед- ствиям: ° При низком уровне выходное напряжение (у' „) может превысить Г ° При высоком уровне выходное напряжение(!' „) может упасть ниже р „,„. ° Задержка распространения сигнала от входа до выхода может превысить значение, указанное в технической документации. Время нарастания и время спада сигнала на выходе могут выйти за пределы, указанные в технической документации. ° Может возрасти рабочая температура устройства, что приводит к уменьшению его надежности и, в конечном счете, вызывает отказ в работе. Первые четыре последствия уменьшаот запас помехоустойчивости по постоянному току и ухудшают временные параметры схемы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
