Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 36
Текст из файла (страница 36)
В течение времени 1„, называемого временем нарастали» (г(зе бте), выходной сигнал ИЗМЕНЯЕТСЯ От НИЗКОГО УРОВНЯ ДО ВЫСОЮГО, а В ТЕЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ гя НаЗЫВаЕМОГО временем спада (уа11 11те) сигнал изменяется от высокого уровня до йизюго; время 1 может отличаться от времени 1„. (а) (Ь) (с) "~н » "гьп ньен ьов рис. 3.36.
Длительность переходного процесса (а) идеальный случай с нулевым временем переключения, (Ь) более близкое к действительности приближение, (с) реальная временная диаграмма с нарастанием и спадом сигнала за конечное время ((.ОЧ/- низкий уровень, НЮН вЂ” высокий уровень) Рис. 3.36(Ь) не совсем точен, потому что скорость изменения выходного напряжения не устанавливается мгновенно. Реально переходы в начале и в конце бывают плавными, как это изображено на рис.
3.36(с). Чтобы избежать трудностей в определении начала и конца изменения, время нарастания н время спада обычно измеряют по границам логических уровней, как показано на рисунке. В соответствии с рис, 3. 36(с) время нарастания и время спада говорят о том, как долго выходное напряжение преодолевает область «неопределенностн» между низким и высоким уровнями. Время изменения сигнала в пределах одного уровня не включается во время нарастания и время спала. Эта часть переходного процес- 146 Глава Э. Цифровыв охоты са вносит вклад в «задержку распространения», которая рассматривается в следующем разделе.
Время нарастания и время спада сигнала на выходе КМОП-схемы зависят в основном от двух параметров: от сопротивления «открытого» транзистора и от емкости нагрузки. При большей емкости время переходною процесса увеличивается и, поскольку это нежелательно, разработчики логических схем очень редко намеренно подключают конденсатор к выходу логической схемы. Однако параэитнан емкость (мгау сарасйапее) присутствует в любой цепи, что обусловлено, по крайней мере, тремя причинами: 1. Выходные цепи, включая выходные транзисторы вентилей, а также внутренние соединения и корпуса схем типичных логических семейств, в том числе КМОП-схем, имеют некоторую собственную емкость в диапазоне от 2 до 1О пикофарад(пФ). 2. Соединения какого-либо выхода с входами других схем имеют емкость около 1 пФ на дюйм нли больше, в зависимости от технологии монтажа.
3. У типичных логических семейств входные цепи схем, включая транзисторы, внутренний монтаж и корпус микросхемы, имеют емкость от 2 до 15 пФ на вход. Паразитную емкость иногда называют емкостной нагрузкой (сараснгке (ааг() или нагрузкой па переменному таку(АС (оаг1). Воспользовавшись эквивалентной цепью, показанной на рис. 3.37, можно рассчитать время нарастания и время спада сигнала на выходе КМОП-вентиля.
Как и в предыдущем параграфе, р-канальный и и-канальный транзисторы заменены резисторами Ир и й„соответственно. При нормальной работе сопротивление одного из резисторов велико, а другого — мапо в зависимости от уровня сигнала на выходе. Нагрузка на выходе представлена эквивалентной схемой нагрузки (ейигка!епг (нага сисий), состоящей из трех компонентов: ы ь — два компонента, посредством которых представлена нагрузка по постоянному току; от них зависят напряжения и токи в выходной цепи, когда сигнал на выходе имеет установившееся значение высокого уровня или низкого уровня; при изменении уровня сигнала на выходе нагрузка по постоянному току не оказывает заметного влияния на время перехода; емкость, представляющая собой нагрузку по переменному току; от нее зависят значения напряжений и токов в выходной цепи в процессе изменения выходного сигнала и то, как долго происходит переход от одного уровня до другого.
Если выход КМОП-вентиля нагружен входами только КМОП-схем, то нагрузка по постоянному току несущественна, В оставшейся части этого раздела ради простоты мы рассмотрим только этот случай с Я„= и 1; = О. Наличие некоторой нагрузки по постоянному току повлияет на результат, но ие очень сильно (см.
упражнение 3.68). Теперь можно проанализировать время перехолного процесса на выходе КМОП-вентиля. Для этого примем С, = 100 пФ, что является умеренной емкостной нагрузкой. Кроме того, будем считать, что, как ив предылущем разделе, сопротив- 3.6.динамические свойства КМОП-схем 147 пения «открытых» р канальных и иканальных транзисторов равны 200 Ом и 100 Ом соответственно. Время нарастания и время спада сигнала зависят от того, как дол- го происходит заряд или разряд ем костной нагрузки С, .
Усс.+5ОВ Эквивалентная схема нагрузки перехода ис. 3.37. Эквивалентная схема для анализа времени переходного процесса в «ыходной цепи КМОП-вентиля 'л) уст -- яз.ов (Ь) усе - яков ,'ис. 3. 38. Модель перехода КМОП-вентиля от высокого уровня до низкого: (а) а выходе вентиля высокий уровень; (Ь) состояние вентиля после того, как р.анальный транзистор оказывается «закрытым», а л-канальный транзистор— открытым» Рассмотрим сначала время спада. На рис.3.38(а) изображено состояние схемы, когда сигнал на выходе имеет установившийся высокий уровень.
П( н У не покаяаны; они не оказывают никакого влияния, так как мы считаем Я = .) Для нашего т. анализа предположим, что транзисторы в КМОП-схеме переходят из «открытого» :остояния в «закрытое» и обратно мгновенно. Предположим также, что переход сигнала на выходе КМОП-вентиля к низкому уровню начинается в момент времени г = О, когда схема оказывается в состоянии, указанном парис. 3.38(Ь). В момент времени у = 0 напряжение У „все еше равно 50 В.
(Важный принтип электротехники состоит в том, что йапряжеиие на конденсаторе не может тзменяться мгновенно.) При у = конденсатор должен полностью разрядиться и З 48 Глава 3. Цифровые схемы напРЯжение )~сот бУдет Равно О. МежлУ Указанными значениЯми напРЯжение 1'о„ изменяется по экспоненциальному закону: )о~/ягь5 о о~/поо)сомом)050!/пох)о) опт = сс'о е Произведение Л С, имеет размерность времени и называется постоянной времени (ЛС гиле сопзгал)).
Проведенное вычисление говорит о том, что постоянная времени при переходе от высокого уровня к низкому равна 1О наносекундам (нс). На рис. 3.39 показана зависимость напряжения г' „от времени, Чтобы определить время спада вспомним, что в качестве границ низкого и высокого уровней входного сигнала КМОП-схемы, подключенной к выходу другой КМОП-схемы, приняты значения 1.5 В и 3.5 В.
Чтобы получить время спада, необходимо воспользоваться предыдущим соотношением для 1' „= 3.5 В и Г „= 1.5 В, ост откуда следует; г =-)гвС 1п — = — 1О 1О 1п —, 101)Т, — 9. 10!)Т РСс 5 0 ГЗ 5 =3.57 не, г) 5 —- 12.04 нс. Время спада г равно разности между этими двумя числами, что составляет около 8.5 нс. до 2000м > 1МОм > 1МОм 1ОООм 5В "оот ОВ рис.
3.39. Время спада при переходе напряжения на выходе КМОП-вентиля от высокого уровня к низкому уровню Аналогично можно рассчитать время нарастания сигнала. На рис. 3.40(а) представлено состояние схемы, когда сигнал на выходе имеет установившийся низкий уровень. На рис. 340(Ь) изображен начиниощийся в момент времени )= О переход КМОП-схемы в состояние с высоким уровнем на выходе.
Как и прежде, напряжение К не может измениться мгновенно, но при г = «конденсатор будет полно- опт 3.6. Динамические свойства КМОП-схем 140 стью заряжен и напряжение 1', будет равно 5,0 В. Снова изменение напряжения р „описывается экспоненцйальным законом: (! е, » ~) 50 0 е-» ( О«»»!««х)0 ))В 50 (! l( ~! ))В Постоянная времени в этом случае равна )1 С, = 20 нс.
На рис. 3.41 показана зависимость напряжения 1;, от времени. Чтобы йолучить время нарастания, снова необходимо воспользоваться имеющимся соотношением для 1' = 1.5 В и опт = 3.5 В, откуда следует: 11 С 1 ьСС )Оцт 20 !0-9 1„5 0 (ООТ и 5.0 г! 5 =7.13 не, г35 =24.08нс, Время нарастания г, определяется как разность между полученными двумя числами и приблизительно равно 17 нс. ,'а) Ух =+50В (~) «сс =+5ЗВ »»а»» »г Рис.
3.40. Модель перехода КМОП-вентиля от низкого уровня к высокомууров«ю на выходе: (а) низкий уровень на выходе; (Ь) состояние схемы после того, как ранзистор с и-каналом оказывается «закрытым», а транзистор с р-каналом— :открытым» В последнем примере предполагается, что р-канальный транзистор имеет вдвое большее сопротивление, чем п-канальный транзистор; в результате время нарастания вдвое больше времени спада. «Слабому» р-канальному транзистору требуется больше времени для того, чтобы подтянуть выходное напряжение до высокого уровня, чем «сильному» л-канальному транзистору для того, чтобы понизить его до низкого уровня; способность вентиля переключать выходной сигнал «асимметрична».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
