» Методические материалы » Раздел 8 » Работа 8.3

Работа 8.3

Исследование статических и динамических характеристик БиКМОП-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 0, представляющая зависимость выходного напряжения 0 от медленно изменяющегося напряжения на входе 0. Передаточная характеристика инвертора показана на рис. 8.3.1. 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.

0
Рис. 8.3.1


Инвертор на биполярных и МОП-транзисторах (БиКМОП-инвертор)

Логические элементы, изготовляемые по КМОП-технологии, являются доминирующими в цифровых интегральных схемах средней и высокой степени интеграции. Их достоинства – низкое потребление, высокие входное сопротивление и помехоустойчивость. Недостатком является малый ток, отдаваемый МОП-транзисторами в нагрузку. Это ограничивает скорость заряда нагрузочной емкости 0 и соответственно увеличивает время переключения.
Биполярные транзисторы имеют большую способность отдавать ток в нагрузку, чем МОП-транзисторы. Это свойство биполярных транзисторов использовано при создании БиКМОП-логических элементов, совмещающих на одном кристалле биполярные и МОП-транзисторы с необходимыми электрическими характеристиками.
Простейшая схема БиКМОП-инвертора показана на рис. 8.3.2.

0
Рис. 8.3.2

В статическом режиме токи МОП-транзисторов равны нулю, биполярные транзисторы находятся в режиме отсечки и не влияют на характеристики схемы. Рассмотрим процессы переключения инвертора. Когда входное напряжение 0, транзистор VT1 открыт, а  VT2 закрыт. Ток базы биполярного транзистора VT4 равен нулю, и VT4 находится в состоянии отсечки. Ток заряда емкостного элемента – это ток эмиттера VT3.  Ток заряда емкости нагрузки в схеме на  
рис. 8.3.2 больше соответствующего тока КМОП-инвертора. За счет этого переключение БиКМОП-инвертора происходит значительно быстрее.
Когда входное напряжение 0, транзистор VT1 закрыт, а  VT2 открыт. Биполярный транзистор VT3 находится в состоянии отсечки. Происходит быстрый разряд емкости нагрузки через открытый транзистор  VT4.
Таким образом, сочетание биполярных и МОП-транзисторов в элементах БиКМОП-логики обеспечивает существенное увеличение быстродействия по сравнению с КМОП-элементами.
Недостаток БиКМОП-инвертора на рис. 8.3.2 заключается в том, что уровень логической единицы на выходе меньше напряжения питания на величину падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3, а уровень логического нуля равен напряжению эмиттерного перехода VT4. Это снижает помехоустойчивость инвертора Другой недостаток схемы на
рис. 8.3.2 – длительное время выключения биполярных транзисторов. Это объясняется тем, что у VT3 и VT4 отсутствуют цепи, обеспечивающие быстрое рассасывание заряда, накапливающегося в базе. Перечисленные недостатки можно устранить, включив резисторы параллельно эмиттерным переходам, как показано на рис. 8.3.3. В качестве резисторов используют
n-канальные МОП-транзисторы.

0
Рис. 8.3.3

Резисторы в схеме на рис. 8.3.3 обеспечивают быстрое рассасывание зарядов в базах биполярных транзисторов. Поскольку эмиттерные переходы биполярных транзисторов шунтированы резисторами, напряжения логического нуля и единицы на выходе схемы близки соответственно к 0 и 0, как в классическом КМОП-инверторе.
При больших значениях емкости нагрузки БиКМОП-схема обеспечивает существенно большее быстродействие, чем КМОП-инвертор. При значениях 0, не превышающих 0.1 пФ, быстродействие КМОП- и
БиКМОП-логики примерно одинаково. При емкости нагрузки 1 пФ время переключения БиКМОП-инвертора  составляет  0.3 нс, тогда как у КМОП-схемы оно равно 1 нс.
Рассмотренные принципы построения БиКМОП-схем используются и при реализации логических элементов, реализующих более сложные операции. Входные цепи БиКМОП-элементов реализуются так же, как и в случае КМОП-логики. Выходная цепь на биполярных транзисторах не отличается от выходной цепи инвертора на рис. 8.3.3.

БиКМОП-структуры широко используются в современных микропроцессорах, микросхемах памяти и других цифровых устройствах. Они сочетают положительные стороны биполярных и КМОП-технологий. Как и элементы КМОП-логики, БиКМОП-ЛЭ имеют высокое входное сопротивление и малую потребляемую мощность. Наличие биполярных транзисторов в выходных цепях обеспечивает быстрый заряд и разряд емкости нагрузки.


Рекомендуемая литература

  1. 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.
  2. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.