№ 14

1) Стоковые( выходные ) хар-ки nMдп-транзисторов с встроенным и индуцированным каналами.

Рисунок 4.4 Структура МДП ПТ с индуцированным (а)

и  встроенным  (б)  каналами.

Этот транзистор имеет структуру металл - диэлектрик - полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если осно­вой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл - окисел - полу­проводник).

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуциро- ванным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным ка­налом - на рисунке 4.5,б.

В области U_CИ < |U_ЗИ - U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение (3.42) описыва­ет восходящие ветви выход­ной характеристики Входное сопротивление МДП-транзистора из-за нали­чия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² - 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емко­стью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость -десятые доли пикофарад.

 

 

а)	б)
Рисунок 4.5 Выходные характеристики ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

2 ) Базовый элемент ттл ис к531 серии. Схема и принцип работы.

3) Для какой цели используются выходные эмиттерные повторители в базовом элементе эсл ис

Рис. 2.6. Эмиттерный повторитель.

На рис. 2.6 показан эмиттерный повторитель. Он назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база-эмиттер): U_э = U_б - 0,6В. Выходной сигнал по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6 - 0,7 В ниже. Для приведенной схемы входное напряжение U_вх должно составлять по крайней мере 0,6 В, иначе выходное напряжение будет равно потенциалу земли. Если к эмиттерному резистору подключить источник отрицательного напряжения, то входной сигнал может быть отрицательным.

Е е входной импеданс значительно больше, чем выходной. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему не непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним импедансом источник (имеется в виду его эквивалентная схема) может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала (эта потеря неизбежна при прямом включении из-за эффекта делителя напряжения). Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиления по напряжению. Он также обеспечивает усиление по мощности.

Выходные эмиттерные повторители ускоряют также процесс зарядки емкости нагрузки. Уменьшение времени задержки распространения сигнала достигается также за счет ограничения перепада выходного напряжения. Однако это приводит к некоторому уменьшению помехоустойчивости микросхем ЭСЛ. 

№15

1. какую функцию для положительной логики выполняет базовый элемент ТТЛ ИС серии 531

В ыполняет функцию И-НЕ. Схема И—НЕ состоит из элемента И и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы И. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом: , где читается как "инверсия x и y".

Таблица истинности схемы И—НЕ

x	y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

2.nМДП-транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом. Структура и принцип работы

П ри нулевом напряжении UЗИ = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Встречно направленные p–n – переходы препятствуют движению электронов от истока к стоку: канал отсутствует. При UЗИ > 0 возникающее под затвором электрическое поле будет отталкивать положительные заряды (дырки, являющиеся основными носителями в p–полупроводнике) в глубь полупроводника. При некотором пороговом значении напряжения между стоком и истоком под затвором накапливается достаточный слой электронов. Создается (индуцируется) проводящий канал, толщина которого может составлять 1...2 нанометра и она далее практически не меняется. Удельная проводимость канального слоя зависит от концентрации электронов в нем. Изменяя UЗИ , можно менять величину тока стока. Примерный вид стоковых и сток–затворных ВАХ транзистора с индуцированным каналом представлены на рис:

2.Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

Схема включения транзистора с общей базой

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:1) коэффициент усиления по току Iвых / Iвх (для схемы с общей базой Iвых / Iвх = IК / IЭ = a);2) входное сопротивление RвхБ =

= Uвх / Iвх = UБЭ / IЭ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Эта схема имеет следующие недостатки: она не усиливает ток (a < 1), имеет малое входное сопротивление, и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но в то же время такая схема имеет хорошие температурные и частотные свойства.Схема включения с общим эмиттером Эта схема является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.Д остоинствами схемы с общим эмиттером являются:

· большой коэффициент усиления по току;

· большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление;

· для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Схема включения транзистора с общим коллектором

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания ЕБ и ЕЭ всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, то есть очень сильна отрицательная обратная связь.

Схема включения	Коэффициент усиления
	по току	по напряжению	по мощности
С общей базой	,   < 1	, а так как RН  1…10 кОм, Rвх  1…10 Ом, тогда KU  100…1000
С общим коллектором
С общим эмиттером

№16

1.В конце 1970-х годов микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно заменятся на микросхемы ТТЛШ, в которых вместо обычных транзисторов используются транзисторы с диодом Шоттки. Эффект Шоттки снижает пороговое напряжение открывания кремниевого диода от обычных 0,7 В до 0,2...0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Диод Шоткти с низким порогом открывания, подключаемый между коллектором и базой транзистора, не позволяет транзистору войти в режим насыщения, благодаря чему логические элементы на основе транзисторов Шотки имеют очень малое время задержки выключения. На основе транзисторов Шотки быливыпущены микросхемы двух основных серий ТТЛШ: К531 и К555. В электрической схеме элемента серии К555 вместо многоэмиттерного транзистора использована матрица диодов Шотки. Микросхемы серии К555 служат эффективной заменой для микросхем стандартной серии К155. Логические элементы более современных серий микросхем КР1533 и КР1531 представляют собой дальнейшее развитие технологии ТТЛШ в сторону снижения энергопотребления, увеличения быстродействия и улучшения помехоустойчивости.

С целью увеличения быстродействия элементов ТТЛ, в элементах ТТЛШ используются транзисторы Шотки, представляющие собой сочетание обычного транзистора и диода Шотки, включённого между базой и коллектором транзистора. Поскольку падение напряжения на диоде Шотки в открытом состоянии меньше, чем на обычном p-n-переходе, то большая часть входного тока протекает через диод и только его малая доля втекает в базу. Поэтому транзистор не входит в режим глубокого насыщения. 

Следовательно, накопление носителей в базе из-за их инжекции через коллекторный переход практически не происходит. В связи с этим имеет место увеличение быстродействия транзисторного ключа с барьером Шотки в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала элементов ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ) примерно в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. Недостатком ТТЛШ является меньшая по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ помехоустойчивость U⁺_пом из-за большего значения U⁰ и меньшего U_пор.

2. Известен интегральный логический элемент на nМДП-транзисторах (см. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М. Мир, 1985, стр. 171, рис. 4.2.1), содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенными в ней сток-истоковыми областями транзисторов второго типа проводимости, металлическую шину питания, металлическую шину нулевого потенциала, полупроводниковых слой встроенного канала нагрузочного транзистора второго типа проводимости, диэлектрическую подзатворную пленку, которая нанесена на поверхности подложки между полупроводниковыми областями и прилегает к толстому окислу, металлические электроды затвора, нанесенные на диэлектрическую пленку, и выходную металлическую шину. Описываемый логический элемент обеспечивает высокую степень интеграции элементов на кристалле микросхемы и низкую потребляемую мощность.

Недостатками являются нерациональное использование площади кристалла за счет допусков на совмещение масок при формировании затворов, наличие паразитных емкостей затвор-сток, затвор-исток, обусловленных некоторым перекрытием металлическими затворами областей каналов, низкое быстродействие прибора, сложность автоматизированного проектирования узлов микросхем на основе этого логического элемента.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой двухвходовой интегральный логический элемент И-НЕ на КМОП-транзисторах.

Возможность введения в состав элемента произвольного количества транзитных шин позволяет исключить обходные пути при обеспечении связей между элементами, расположенными через один или несколько элементов друг от друга.

Полностью топологически и электрически совместимые между собой входные, выходная и транзитная зоны (примитивы) дают возможность из произвольной перестановки (подстройки цоколевки выводов) в зависимости от предъявляемых требований.

Взаимно-перпендикулярное расположение сигнальных шин и шин питания и нулевого потенциала позволяет уменьшить площадь, занимаемую блоками БИС на основе предлагаемого элемента, на 20 35% по сравнению с прототипом. Использование металлических сигнальных шин и сокращение суммарной длины линий связи обеспечивает повышение быстродействия схемы на 15 25% Предлагаемая регулярная конструкция элемента, собираемая из набора функциональных зон (примитивов), легко адаптируется к САПР БИС, обуславливая снижение затрат на проектирование микросхем в целом. Схема   НЕ  (инвертор) реализует операцию отрицания.  Связь между входом   x этой схемы и выходом  z  можно записать соотношением   z =х, где х читается как "не x" или "инверсия х".Если на входе схемы  0,  то на выходе  1.  Когда на входе 1,  на выходе 0 Схема И—НЕ состоит из элемента И и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы И. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом: Z=x*y, где x*y  читается как   "инверсия x и y".   

3. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

.

№17