Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 57
Текст из файла (страница 57)
На рис. 8.19, б показана эквивалентная схема ключа, в которой все частные емкости заменены одной суммарной емкостью С,: (8. 52) Сс Сз + Ссо + Спер + Сзи + КСзс' Типичные значения суммарной емкости составляют С, = 1 — 3 пФ. Она включает следующие компоненты: С, — емкость затвор — канал; в отличие от других емкостей она являет- 8.8. МДП-транвиеторные ключи 31т ся имманентной, т. е. органически свойственной МДП-тракзисигору по самому принципу его действия (удельная емкость затвор-канал определяет величину удельной крутизны); ф— емкость сток-подложка (барьерная емкость стокового р-и-перехода); ф— паразитная емкость монтажных соединений относительно подложки (в интегральных схемах это емкость металлической или поликремниевой разводки); С,„, ф— емкости затвора относительно областей истока и стока. Происхождение коэффициента Е связано с так называемым эффектолг Миллера (см. равд.
9.5). Коэффициент К может иметь значения от нескольких единиц до 10-20 и более. При этом роль емкости С„часто оказывается доминирующей. Пусть в исходном состоянии транзистор открыт и на нем падает небольшое остаточное напряжение. При поступлении запирающего сигнала Е, ток в транзисторе уменьшается до нуля с весьма малой постоянной времени т, — практически мгновенно, После зэпирания транзистора (т. е. запирания ключа) емкость С, заряжается от источника питания Е, через резистор Ее с постоянной времени т, = СеВо (рис. 8 20, а).
тЕ„ +Е, *1 11 и а) Рне. 8.20. К расчету переходных пропеесов в МДП-транэноторном ключе: а — эквивалентная схема после эапирания ключа; б — эквивалентная схема после отпирания ключа; е — ход пропееса откираиия на выходных ха- рактеристиках Процесс заряда описывается простейшей экспоненциальной функцией ие(г) =Е,(1 — е ~').
Время заряда, т. е. длительность фронта напряжения на уровне 0,9Е,, составляет 1, = 2,8 Лес,. (8.53а) Глава 8. Осколы цифровой схсиотсхииии 818 Например, если А, = 50 кОм и С, = 3 пФ, то т, = 150 нс и гф и 350 нс. Если в формуле (8.53а) заменить сопротивление Хс, отношением Ес11са [см. (8.45Ц, то длительность фронта запишется в следующем более общем виде: (ф = 2 3 (Е,С*!Хсл). (8.53б) Из такой формы записи ясно, что длительность фронта предопределяется желательной величиной рабочего тока. Отпирание ключа и формирование среза импульса напряжения протекают несколько сложнее.
После подачи отпирающего сигнала Е,' ток 1, практически мгновенно (с постоянной времени т,) достигает значения Хс(0) — ~з 5(Ез — Уо ) (8.54) (рис. 8.20, б). Этим током начинает разряжаться емкость С,. По мере разряда емкости напряжение на стоке У, уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше напряжения насыщения У„, равного .Е,' — Уо, транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение 1,(0) (рис.
8.20, в). Когда напряжение У„уменьшаясь, делается меньше напряжения насыщения, ток 1, начинает падать, стремясь в пределе к значению 1,( с) = Х,„. Соответственно на этом этапе переходного процесса нужно было бы учесть нелинейную зависимость 1,(У,). Однако„чтобы избежать математических трудностей, воспользуемся двумя простейшими аппроксимациями, одна из которых дает заведомо заниженное, а другая — заведомо завышенное значение длительности среза. В обоих случаях пренебрежем током 1к через нагрузочный резистор.
Такое пренебрежение вполне оправдано, так как почти на всем протяжении переходного процесса ток 1л незначителен по сравнению с емкостным током 1с (рис. 8.20, в). В качестве 1-й аппроксимации примем 1, = Х,(О) - сопз$ (емкость разряжаетсз неизменным током, см. штриховую линию 1 яа ряс.
8.20, о). Тогда, поделив начальный заряд 9 = Е,С, яа разрядный ток 1,(0), получаем: Е,С,/1,(0). З.а. Мдп.транзисторные ключи 319 В качестве 2-й аппроксимации примем 1, = У,/Всм где В,р = Е,/1,(0) — среднее сопротивление в период разряда (см. штриховую линию 2 на рнс. 3.20, в). В этом случае разряд носит обычный экспоненцнальный характер и,(г) =Е,е ~', где т = С,Вчг Считая, что разряд заканчивается на уровне 0,1 Е„получаем: гс = 2,3 с = 2,3 (ЕсС,/1с(0)7.
Для расчетов можно принять промежуточное из двух полученных значений: гс (сб (ЕсСсг 1с(0Н (8.55) где ток 1,(0) определяется выражением (8.54). Например, если Е,' = Е, = 7,5 В; Ус = 2,5 В; Ь = 0,1 мА/Вг и С, = 3 пФ, то 1,(0) = 1,25 мА и г, = 25 нс. Как видим, срез положительного импульса значите~ьно ко роме фронта. В общем случае такой вывод вытекает из структуры выражений (8.536) и (8.55), которые в принципе различаются только значениями токов. Из рис. 8.20, в ясно, что 1с(0)» 1,„, Отсюда неизбежно следует, что г, «г, . Таким образом, быстродействие данного типа ключей определяется длительностью фронта. Для уменьшения времени г необходимо уменьшать сопротивление В, „а это приводит к росту остаточного напряжения на ключе (см.
(8.46)). Следовательно, возможности повышения быстродействия ограничены. Общий вид переходных процессов в рассмотренной схеме показан на рис. 8.21. Е.' ио В ключе с динамической нагрузкой (рис. 8.17, а) формирование среза происходит 1,( ) так же, как в ключе с рези- и 1 <О> сторной нагрузкой, а время определяется формулой 0,9Е (8.55). Такое совпадение объясняется тем, что при вынос, ф де формулы (8.55) мы пренебрегли током нагрузки 1л и Зво Глава 8.
Освоен цивсровой схеиотехвиви тем самым исключили специфику нагрузки. Ток 1,(0), входящий в формулу (8.55), является в данном случае начальным током активного транзистора: по аналогии с (8.54) запишем: 1с(0) = Уз Ь1(Е' (7от). (8.56) Формирование фронта происходит в период заряда емкости С, через нелинейную динамическую нагрузку. Учитывая параболический характер ВАХ (8.47), можно заранее ожидать, что заряд емкости будет происходить медленнее, чем при резисторной нагрузке, а время г будет больше, Чтобы избежать математических трудностей, заменим параболическую ВАХ линейкой с сопротивлением Ес/Я1с ).
Тогда вместо формулы (8.53б) получим (8. б 7) гф = 2 ЗЕсСс!()з 1св ) где ток насыщения 1,„выражается формулой (8.48). Заметим, что в данном ключе в состав нагрузочыой емкости (8.52) следует дополнительно включить емкость С,„з, а в интегральных схемах (учитывая общность подложки у обоих транзисторов) — еще и емкость С„„з.
Поскольку по сравнению с резисторыым ключом время гф возросло, а время г, осталось тем же, можно сделать вывод, что в ключах с динамической нагрузкои, как и в резисторных ключах, быстродействие определяется длительностью фронта. Используя выражения (8.47) и (8.56), легко показать, что отношение г /г, определяется в первую очередь отношением удельных крутизн Ьт/Ьз.
Попытка уменьшить величину Ь1/Ьз (с целью выравнивания фронта и среза) приводит к увеличению остаточного напряжения [см. (8.49)). Поэтому повышение быстродействия ключа требует увеличеыия удельной крутизны обоих транзисторов, а зто, как известно, сопряжено с увеличением их размеров, т. е. площади.
В интегральных схемах такой путь, естественыо, ограничен. В комплементарном ключе переходные процессы характерны тем, что заряд и разряд нагрузочной емкости С„происходят примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы по отношению к запирающему и отпирающему сигналам. В.е.
ЪщП-тревевстервые ключе 321 Заряд емкости происходит через открытый транзистор Т2 при запертом Т1 (рис. 8.18), а разряд — через открытый транзистор Т1 при запертом Т2. В обоих случаях транзистор, открывшийся после очередного переключения, сначала работает в режиме насыщения со сравнительно большим током 1,(0), а затем, по мере заряда или разряда емкости, напряжение на стоке падает ниже значения У,„и ток начинает уменьшаться.
Следовательно, механизм обоих процессов (заряда и разряда) тот же, который был рассмотрен при анализе разряда в ключе с резисторной нагрузкой (рис. 8.20, б и в). Соответственно, длительности фронта и среза определяются однотипными выражениями, аналогичными (8.55): 15 ЕсСс 2ЕсСс с2~ 3 ьзсес 1иозб (8.58а) ЕС ЗЕС тстм3 е3се,— ио33 (8. 58б) В формулах (8.58) индексы 1 и 2 призваны подчеркнуть различие параметров п- и р-канального транзисторов.
Однако это различие второстепенное. Практически длительности фронта и среза оказываются одинаковыми. Если, как и выше, положить Уо = 2,5 В, Ь = 0,1 мА/В2, С,= 8 пФ и Е =7,5 В, то 2 = 2 = 25 нс. Сравнивая полученные значения с предыдущими, видим, что быстродействие комплементарного ключа оказывается почти на порядок выше, чем у двух других типов ключей. Зто преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания. Другой очень важной чертой комплементарного ключа является очень малое потребление знергии от источника питания в статическом режиме. Заметная знергия, обусловленная необходимостью перезаряда емкостей, потребляется в процессе переключения. Также при переключении из-за конечной длительности фронта входного сигнала на короткое время оба транзистора ключа оказываются открытыми, что приводит к короткому импульсу тока потребления от источника питания.
Использование комплементарных ключей при очень пологом фронте входного сигнала может приводить к тепловому разрушению транзисторов при протекании большого сквозного тока. 322 Глава 8. Осяоэы цифровой схемотехника Для всех трех типов ключей главным путем повышения быстродействия является уменьшение суммарной емкости С,. При заданной емкости быстродействие повышается с увеличением токов, в частности, — с увеличением питающего напряжения. 8.7.
Помехоустойчивость ключей Помимо полезных (управляющих) сигналов, на ключи и ключевые схемы всегда воздействуют паразитные сигналы, обусловленные внешними электромагнитными помехами («наводками») илн же внутренними процессами, например, связями через общий источник питания. Поэтому рабочие сигналы должны превышать уровень помех, а к малым паразитным сигналам ключ должен быть по возможности нечувствителен, т. е. не должен реагировать на них так„как он реагирует на полезный сигнал. Индифферентность ключа (или другой схемы) к паразитным сигналам называют помехозащищенностью или помехоустойчивостью.
Помехоустойчивость принято измерять абсолютной величиной сигнала (обычно в вольтах), который еще не вызывает ложного отпирания или запирания ключа. Помехоустойчивость по отношению к сигналам положительной и отрицательной полярности может быть существенно разной. Анализ помехоустойчивости предполагает, что ключ работает в последовательной цепочке. Последовательная цепочка ключей должна работать как одно целое; изменение состояния 1-го ключа должно сопровождаться изменением состояния всех остальных ключей, вплоть до последнего.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
