Изъюров Г.И. - Расчет электронных схем (1266568), страница 35
Текст из файла (страница 35)
9Л (12, 221. где и — коэффициент передачи тока р-н-р-транзистора, и„— количество коллекторов р-и-р-транзистора; Чтобы получить на выходе низкое значение потенциала (/,„= По, требуется обеспечить выполнение условия насыщения транзистора Т,: (9.8) 1твг где У вЂ” степень насыщения. Коллекторный ток 1, поступает от нагрузки (аналогичных элементов ИзЛ) и равен 1, = 1о. Если в качестве нагрузки используется и аналогичных элементов, то 1е= я1е Характерной особенностью элементов И'Л является низкое значение помехоустойчивости (l„'е„, которое„согласно формуле (9.36), определяется степенью насыщения транзистора Т, ти- па п-р-и. В схемах И Л помехоустойчивость для отрицательных помех составляет (!1 „т20+50 мВ.
Величина (4 характеризует помехоустойчивость ИЛЭ в том случае, когда на его вход подаются сигналы от источника с низким выходным сопротивлением (например, от внешних схем). Если ИЛЭ нагружены друг на друга, то это условие выполняется при логическом нуле на входе, так как выходное сопротивление предылущего открытого ИЛЭ мало. Однако при логической единице на входе предыдущий ИЛЭ выключен и его выхолное сопротивление велико. В этом случае помехоустойчивость следует характеризовать допустимым значением тока помехи Р„[см. формулу (9.3в)1 [223.
Помехоустойчивость по току пропоршюнальна току инжектора и увеличивается с ростом степени насыщения бп Так как в схемах ИзЛ входной ток 1'„О, то коэффициент разветвления при высоком уровне напряжения на выходе К'„, со. Коэффициент разветвления при низком уровне напряжения на выходе определяется выражением (95а). Полагая 5 =1,5+2, пРн )3т;,=1,5 —:2 подУчаем Крант — — 1. Это означает, что при )3 =1,5 —:2 возможно подключение только одной нагрузки к единственному коллектору транзистора п-р-в. Увеличение числа нагрузок хотя бы на единицу недопустимо, поскольку это может привести к выходу транзистора и-р-и из режима насыщения и неприемлемому увеличению напряжения логического нуля 1!а.
Однако ИЛЭ с одноколлекторным транзистором и-р-н обладает значительно меньшими функциональными возможностями по сравнению с ИЛЭ на основе многоколлекторного транзистора л-р-л, к каждому из коллекторов которого подключается нагрузочный ИЛЭ (в этом случае КР равен количеству коллекторов н„многоколлекторного транзистора). Если увеличить (3а;, путем усовершенствования технологии, то можно обеспечить режим насыщения многоколлекторного транзистора и-р-и и нормальную работу ИЛЭ с несколькими нагрузками. Так, например, в последних разработках ИзЛ-ИМС число коллекторов транзистора н-р-н увезпгчено до пята! (прн этом для обеспечения режима насыщения транзистора и-р-и значение б т увеличено в пять раз по сравнению с одноко'арскторным вариантом).
Быстролействие элемента И'Л определяется временем заряда паразитной емкости С„и временем рассасывания неосновных носителей заряда в базе транзистора Т, [см. выражения (9.7)1. Величина С„определяется выражением где зв — число объединяемых на входе элементов И'Л; Сн — емкость металлических соединений. Время рассасынания равно постоянной времени тР Для типового элемента ИзЛ величины С„1 пФ, та=10+50 нс.
Работа переключения определяется выражением А„= Р1,з рр, (9.10) у+У гак +Е Га те т у= з+гг При малых значениях Р ( < 0,01 мВт) величина А„= = 2 —: 3 пДж; при повышении Р величина А„возрастает. Главным преимуществом ИзЛ-элементов перед другими ИЛЭ на биполярных транзисторах является малая работа пере- клрочениЯ Аа, котоРаЯ УменьшаетсЯ по меРе совеРшенствованиа технологии, обеспечивающей снижение емкости С„ путем уменьшения плошадей р-л-переходов и метшзлических соединений. Недостатками И Л элементов являются низкие значения помехоустойчивости и коэффициента разветвления.
Базовые элементы интегральных логических схем на МДП-транзисторах. Ниже рассмотрены две основные разновидности интегральных логических схем на МДП-транзисторах. Логические схемы на однотинных МДП-трпнзисторих. В этих схемах используется только один тип транзисторов— либо р-канальные, либо и-канальные.
Более широкое применение находят и-канальные МДП-транзисторы, которые обеспечивают большее быстродействие. Типовые схемы элементов ИЛИ вЂ” НЕ и И вЂ” НЕ ва и-канальных МДП-транзисторах приведены на рис. 9.!1,а,б. Транзисторы Т„и Т,з — активные (управляющие), транзистор ҄— нагрузочный. а) Рис. У.Н (9.9) С„= (нз + 1) С„+ С, + Сзн 8 Заказ ра 531 Таблица 9.2 «(Н (1 )з 2 (9.12) иия иии Рис. Д12 Рис. У.23 Передаточная характеристика элемента ИЛИ вЂ” НЕ представлена на рис.
9,12, выходные вольт-амперные характеристики — на рис. 9.13. При низком уровне напряжения на затворах активных транзисторов Т„ и Т„ (~,',„ < ~lм где Ьа — пороговое напряжение) эти транзисторы будут закрыты и ток стока равен нулю. На выходе устанавливается высокий потенциал Ц , = = Š— (lс — уровень логической единицы.
При входном напряжении на затворах транзисторов Т„ или Т„ больше порогового напряжения Г соответствующий транзистор отпирается и начинает протекать ток стока. Дальнейшее увеличение (/ приводит к уменьшению напряжения 11 . Для получения малого значения уровня логического нуля необходимо, чтобы сопротивление канала открытого транзистора Т„(или Т,9 было гораздо меньше сопротивления канала транзистора Т„. В частности, необходимо, чтобы транзистор Тво так же как и транзистор Теь работал в крутой области вольт-амперных характеристик, а транзистор Т„ — в пологой области: 1 2 = Ь, (У,„— (/~) à — — Ц, (9.11) зн О сна 2 ~ма где Ь, и Ь, — удельные крутизны активного и нагрузочного транзисторов. С целью упрощения расчетов пороговые напряжения транзисторов будем считать одинаковыми и равными С'е (в более точных расчетах необходимо учитывать зависимость (/„от значения напряжения между истоком и подложкой, которая неодинакова для различных транзисторов интегральной схемы).
Аналитические выражения для расчета основных параметров интегральных логических схем на однотипных МДП-транзисторах приведены в табл. 9.2 1133. Для получения малых значений выходного напряжения логического нуля значения удельных крутизн Ь, и Ьи транзисторов Т, и Т„должны существенно различаться: управляющие транзисторы должны иметь широкий и короткий канал (большое отношение и/Е), а нагрузочные — узкий и длинный канал (малое отношение в/Е). Вхолные токи в МДП-транзисторах практически отсутствуют, поэтому коэффициент разветвления по выходу и может быть очень большим.
На практике число нагрузок л для логических схем на МДП-траизисторах ограничивается снижением Лродо.гссснис таол. 9.2 * Здесь И вЂ” число входов (актнвных трантнсторсв)„на которые подана логическая единица. *" Величину ЬП в формулах (9.!6) — (9.!й), равную шнрнне «ругого участка передаточной харвятернстнкн, можно полагать меньшей О,З В прн Ь !Ь,<О.(.
быстродействпя из-за увеличения емкости нагрузки Св при увеличении п. Динамические параметры логических схем на МДП-транзисторах определяются временами перезаряда паразитных емкостей МДП-транзистора и емкости нагрузки. Суммарная выходная емкость С н включает емкости затвор — канал С,, и См,г и затвор — сток С, и С,т транзисторов Ты и Т„т, емкость затвор — исток С „транзистора Тв, паразитную емкость С„металлических соединений и перехода сток — поддожка транзисторов Ты и Т„, емкость нагрузки С„: С =М(С +С, )+ С, + С„+ С„, (9.23) При (1 выше порогового напряжения (/щ транзистор Т, открывается, а Т, закрываешься. Выходное напряжение при (1 -Е уменьшается практически до нуля (рис.
9.15,о): ио =1утхга ссо. В обоих состояниях ключа, представленных на рис. 9.15, мощность в статическом режиме практически не потребляется, так как один нз транзисторов всегда закрыт и ток, потребляемый от источника питания, определяется током утечки закрытого ключа. Малая потребляемая мощность — главное достоинство схем на КМДП-транзисторах. Это справедливо, однако, лишь для рассмотренного здесь статического режпма при низких частотах переключения. В общем случае (включающем и статику, н динамику) мощность Р„, потребляемая ключом от источника питания Е, состоит из трех слагаемых: Р„„=Р „+Р +Рн где Р,„„= С, Ехуе — мощность, расходуемая на перезаряд выходной емкости схемы С„, определяемой выражением (9.23); 1„— частота переключений схемы; Р, = 1,тЕг(, 1„— мощность, определяемая сквозным током 1, который протекает в те моменты времени, когда при переходе схемы из одного состояния в другое открыты оба транзистора (один уже открылся, а второй еще не закрылся); 19 — длительность фронта переключаю- Рас.
9.14 1с "(1 Е Рсс где 1„„— ток утечки между стоком н истоком закрытого тран- зистора Т, (1п -1 нА); гга — сопротивление канала открытого транзистора Т (г„т т 1 кОм). Рис. 9.1У 229 где М вЂ” число входов (управляющих транзисторов). Логические схемы на колтлсмснтарных МДП-нгранзисторах (КМДЛ-гпргтнлигтггорах). Принципиальная схема инвертора на комплементарных МДП-транзисторах приведена на рис. 9.14, а стоковые вольт-аьлперные характеристики — на рис. 9.15.
Если (1 меньше порогового напряжения ((от транзистора Т„то транзистор Т, закрыт, а Т, открыт. Выходное напряжение практически равно напряжению питания Е (рнс. 9й5,а): ь(вг„„= Š— 1„нг.г = Е Таблица 93 +Е Рис. У.16 ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ 2Свир Ь„(Š— Пор) (9.32) 2Св~р Ьр(Е ~Уор) (9.33) ззо щего импульса; Р, =1„,Š— мощность, потребляемая в статическом режиме.
При малых частотах переключения схемы на КМДП-транзисторах потребляют очень малую мощность. Однако при больших частотах переключения Ц'„>1 МГц) эти схемы не имеют преимушеств по сравнению с ТТЛ-схемами. Двухвходовые логические элементы ИЛИ-НЕ и И вЂ” НЕ представлены на рис. 9.16,а,б. Общие правила построения логических элементов на КМДП-транзисторах таковы: 1) парариельному соединению одного типа транзисторов соответствует последовательное соединение транзисторов другого типа; 2) выполняемая логическая функция определяется включением транзисторов нижнего этажа; 3) полярность источника питания Е зависит от типа канала транзисторов нижнего этажа.
Напряжение питания выбирают из усяовия Е> Уо„+ Пор, где Уо, — пороговое напрюкение л-канального транзистора; Ц,„ — пороговое напряжение р-канального транзистора. Время переключения логических элементов на КМДП-транзисторах определяется временем перезаряда выходной емкости С „. Приближенные аналитические выражения для расчета основных параметров схем на КМДП-транзисторах приведены в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
