Работа 8.2

Исследование статических и динамических характеристик КМОП-инвертора

Инвертор реализует функцию НЕ и является простейшим базовым логическим элементом. В качестве инверторов используют ключи на биполярных или полевых транзисторах.
Свойства инвертора характеризует его передаточная характеристика , представляющая зависимость выходного напряжения  от медленно изменяющегося напряжения на входе . Передаточная характеристика инвертора показана на рис. 8.2.1. Высокий уровень напряжения соответствует логической единице, а низкий – логическому нулю. Такую систему называют позитивной логикой.
Передаточная характеристика инвертора имеет три области. Область I соответствует логической единице на выходе, область III – логическому нулю. Область II является переходной. В этой области инвертор работает как усилитель.

Рис. 8.2.1

Инвертор на КМОП-транзисторах (КМОП-инвертор)

Инвертор с минимальным потреблением мощности можно реализовать на  комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов (рис. 8.2.2).

В такой схеме используются два МОП-транзистора с индуцированными каналами n- и p-типов. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками.

Рис. 8.2.2

Статический режим работы КМОП-ключа

Если входное напряжение равно нулю, то транзистор VT2 находится в состоянии отсечки. Напряжение затвора p-канального транзистора VT1  равно , напряжение , и он находится в линейном режиме. Таким образом, при   выходное напряжение .

Эквивалентная схема КМОП-ключа, соответствующая случаю, когда входное напряжение имеет низкий уровень, показана на рис. 8.2.3, а. Транзистор VT2 эквивалентен разомкнутому идеальному ключу. Ненулевое сопротивление VT1 моделируется резистором . Его сопротивление

.

    а                                                   б

Рис. 8.2.3

Если входное напряжение имеет высокий уровень , то транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а VT1 – отсечки, и выходное напряжение не превышает 10 мВ.  Эквивалентная схема ключа для этого случая показана на рис. 8.2.3, б. Теперь транзистор VT1 эквивалентен разомкнутому ключу, а ненулевое сопротивление VT2 моделируется резистором , сопротивление которого

.

Транзисторы в схеме ключа рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые (по модулю) пороговые напряжения и удельные проводимости:

,

.

Этим обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа как в открытом, так и в закрытом состояниях. Поскольку приповерхностная подвижность дырок  в 2–4 раза меньше подвижности электронов , для согласования ширину канала транзистора VТ1 выбирают в 2–4 раза большей, чем у VТ2. Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство

.

Перечислим основные свойства КМОП-ключа:

1. В обоих состояниях ключа один из транзисторов заперт, поэтому ток в цепи между источником и землей ничтожно мал, и в статическом режиме схема практически не потребляет мощность от источника питания.
2. В обоих статических состояниях выход схемы подключен к общей шине или источнику питания через небольшие сопротивления каналов открытых транзисторов. Поэтому выходное напряжение равно нулю или напряжению питания и почти не зависит от параметров транзисторов.
3. Разность выходных напряжений ключа в закрытом и открытом состояниях максимальна (близка к величине напряжения питания Е). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость схемы.
4. КМОП-ключи обладают значительно большей нагрузочной способностью, чем ключи на биполярных транзисторах. Входное сопротивление КМОП-ключа бесконечно велико. Поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных ключей. При этом уровень выходного напряжения практически не изменится. Однако каждый дополнительный ключ увеличивает емкость нагрузки, что приводит к замедлению переключения.

Динамический режим работы КМОП-ключа

Переходные процессы в МОП-ключах обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав нагрузки. Типичные значения суммарной емкости у ключей, использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм, не превышают 1 пФ.

Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT1 при закрытом VT2,  а разряд – через VT2 при закрытом VT1. Если транзисторы согласованы, т. е. их удельные проводимости одинаковы, длительность переходных процессов в обоих случаях примерно равна.
Время переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля определяют с помощью приближенного равенства

                                          .                                            (8.2.1)

Полученное выражение является приближенным. Его значение состоит в первую очередь в том, что оно позволяет оценивать влияние параметров цепи на время переключения. Если транзисторы в схеме ключа согласованы, то время переключения из состояния логического нуля в состояние логической единицы   также определяется формулой (8.2.1).
Из (8.2.1) следует, что для уменьшения времени переключения необходимо уменьшить суммарную емкость и увеличить напряжение питания . Однако при увеличении  растет и мощность, потребляемая ключом. Поэтому главный путь увеличения быстродействия – уменьшение емкости .
КМОП-ключ является практически идеальным логическим инвертором. Быстродействие комплементарного ключа оказывается значительно выше, чем у других типов ключей. Совершенствование технологии производства КМОП-интегральных схем привело к тому, что в настоящее время они стали доминирующими при производстве цифровых схем не только высокой, но и средней степени интеграции.
Другое важное свойство комплементарного ключа заключается в очень малом потреблении энергии от источника питания в статическом режиме. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте , определяются формулой

.

Из последнего равенства следует, что для уменьшения динамических потерь необходимо уменьшать емкость нагрузки и напряжение питания схемы. Однако уменьшение напряжения приводит к снижению быстродействия. Поэтому главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки.

Пример расчета КМОП-ключа. В КМОП-ключе на рис. 8.2.2 используются согласованные транзисторы с параметрами: , , , , . Напряжение питания ключа . Емкость нагрузки  равна . Рассчитать время переключения ключа и максимальное значение тока в процессе переключения. Решение. Воспользовавшись формулой  (8.2.1), получим:

.

Максимальный ток ключа

.

Рекомендуемая литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
3. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.