6.3 Буферный каскад

Путем подключения к выходу инвертора последовательно включенных одного или двух инверторов (буферов) можно улучшить переключательные свойства КМОП (рисунок 6.2, а).

В микросхемах с буферными выходными каскадами, транзисторы VT1 и VT2, выполняющие логические функции – маломощные, а выходные транзисторы обладают повышенной мощностью.

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема инвертора КМОП:

а − с буферным выходом; б − передаточные характеристики инвертора

Повышение крутизны переходного участка передаточной характеристики обеспечивается за счет значительного усиления сигналов. Большое усиление позволяет формировать импульсы с крутыми фронтами независимо от формы входных импульсов, чем исключается постепенное ухудшение импульсных характеристик системы сигналами с пологими фронтами. Особенность идеальных передаточных характеристик КМОП-структур – это симметричность относительно точки переключения схемы из одного логического состояния в другое, причем центр симметрии лежит на уровне 0,5 U_П (рисунок 6.2, б). Это указывает на высокую помехозащищенность схемы – до 45% U_П. Сопротивление каналов КМОП-транзисторов у типовых микросхем: (0,75 – 2,5) кОм для маломощных транзисторов и (0,5 – 1,5 ) кОМ – для буферных каскадов. Поскольку выходные сопротивления инверторов КМОП большие, то в схему не вводят токоограничивающие резисторы.

Инверторы КМОП с тремя выходными состояниями.

Такой инвертор можно получить, если последовательно с транзисторами логики включить дополнительные ключевые транзисторы VT3, VT4 (рисунок 6.3). С помощью этих транзисторов можно отключать транзисторы ключа VT1 и VT2 от источника питания или от общей шины (земли). При высоком напряжении на входе транзистор р-типа VT3 заперт и оба транзистора VT1 и VT2 отключены от источника питания. Каналы этих транзисторов оказываются в непроводящем состоянии, а выход – в состоянии Z. При = 0 транзистор VT3 подключает транзисторы логики к источнику питания (на входе EZ должен быть высокий уровень напряжения) и инвертор переходит в обычный режим работы. Управление третьим состоянием можно осуществлять по входу EZ. На входе устанавливается лог.0, при EZ = 1 транзистор VT4 открыт и ключ VT1, VT2 находится в рабочем состоянии. При EZ = 0 транзистор VT4 запирается и выход отключается от земли (переводится в третье состояние).

Рисунок 6.3 – Схема инвертора

КМОП-инверторы с тремя состояниями выхода используются в качестве самостоятельных элементов или в составе некоторых типов логических элементов и более сложных устройств.

6.4 Основные характеристики инвертора

Энергитические характеристики. Одной из основных характеристик КМОП ИС является мощность потребления. Суммарная мощность потребления складывается из статической и динамической. Статическая мощность потребления:

P_C = (I_C + I_У) U_П,

где U_П – напряжение питания; I_С – сквозной ток транзисторов; I_У – токи утечки обратно смещенных p-n – переходов.

Динамическая составляющая мощности потребления присуща микросхемам при функционировании на рабочей частоте F и определяется тремя факторами: емкостью нагрузки С_Н, внутренней емкостью схемы С_ВН. и токами переключения (сквозными токами):

P_Д = С_Д U ²_П F + Σ (C_Н U ²_П F_О),

где С_Д – средняя эффективная емкость, устанавливаемая для расчета мощности потребления суммарной нагрузки, обусловленной внутренними емкостями и переходными токами переключения, F₀ – частота переключения каждого выхода МСХ (частота сигналов на выходе может отличаться от входной для схем отличных от инвертора).

В статическом состоянии один из транзисторов КМОП-структуры, р-или n-МОП, закрыт и теоретически существует непроводящий канал между питанием и «землей». Однако наблюдается тепловое движение неосновных носителей заряда через обратно смещенные переходы, которое создает очень малый ток утечки между шиной питания и «землей». На статический ток потребления оказывают влияние три фактора: температура, сложность схемотехники, напряжение питания (рисунок 6.4, а).

Динамическая составляющая мощности потребления растет с увеличением частоты в основном за счет перезарядки емкости нагрузки. С ростом частоты увеличивается влияние внутренних паразитных емкостей схемы. Токи переключения или сквозные токи возникают в период перехода микросхем из одного логического состояния в другое, когда оба транзистора выходного каскада открыты, т.е. во время нарастания и спада импульса. Среднее значение этих токов растет линейно с увеличением частоты переключения. Типовая зависимость динамической мощности потребления от частоты переключения при разных напряжениях питания и емкости нагрузки С_Н = 50 пФ для ИС К564ЛЕ5 приведена на рисунке 6.4, б.

Рисунок 6.4 – Типовые зависимости для ИС К564ЛЕ5:

а – статического тока потребления от напряжения питания и температуры; б − динамической мощности потребления от частоты переключения

С увеличением тактовой частоты до предельных значений резко возрастает потребляемая мощность, что приводит к увеличению выделяемого тепла и ухудшению условий эксплуатации. Быстродействие схемы ограничивается временами заряда (разряда) входных емкостей С_вх логического элемента, а также временами нарастания (спада) напряжения на емкости нагрузки. Значение емкости одного входного элемента обычно 515 пФ. Следовательно, длительность фронта и среза входного импульса ЛЭ: t^0,1 = t^1,0 = 2,2 R^p_k C_вх = 2,2 Rⁿ_k С_вх,

где_. R^p_k, Rⁿ_k – сопротивления каналов выходных транзисторов типа р и n, которые полагаем равными.

При R_k = 2.5 кОм длительность нарастания и спада будет, примерно 25-75 нс. Длительность фронтов выходного сигнала будет определяться емкостью нагрузки:

t^0,1 = t^1,0 = 2,2 R^р_k C_н = 2,2 Rⁿ_k С_н,

Кроме того, временные параметры ИС КМОП характеризуются задержкой распространения сигнала от входа к выходу. При включении, когда входной сигнал приводит к изменению состояния на выходе с 0/1, задержка появления сигнала . При обратном переключении 1/0 задержка распространения . Задержки и в общем случае даже для ИС одного типа оказываются различными в виду различия параметров открытых р- и n- канальных транзисторов. При напряжении питания U_П = 5 В и С_Н = 15 пФ задержка распространения у простых инверторов при включении и выключении одинакова и равна примерно 60 нс. При С_Н = 100 пФ задержка распространения при включении возрастает до 200 нс, а при выключении – 300 нс.

Помехоустойчивость для высокого уровня сигнала и низкого примерно одинакова и составляет почти 50% от U_п. Пропорциональность сохраняется для напряжений питания 5 – 15 В.

Температурная стабильность ИС КМОП очень высокая  колебания температуры в диапазоне от – 55⁰ до + 125⁰С весьма слабо влияют на передаточные характеристики. В подобных же условиях пороговое напряжение биполярных приборов может измениться на 40%. Однако, с точки зрения надежности следует ограничивать верхний диапазон температуры + 65⁰С.

Входной ток КМОП ИС весьма мал. Основное влияние на входной ток оказывает диодная схема защиты, стоящая на входе ИС. Максимальное значение входного тока для всех интегральных микросхем не превышает 0.05 мкА при температуре t = + 25⁰ С и 1 мкА при t = + 125⁰ С.

Выходной ток характеризует нагрузочную способность ИС по постоянному току. Ток представляет собой ток, входящий в ИС при открытом n- канальном и закрытом р-канальном транзисторе выходного каскада. – ток выходящий из ИС при закрытом n-канальном и открытом р-канальном транзисторе выходного каскада. Для раз личных типов ИС токи и могут отличаться в десятки раз из-за сильного различия каналов транзисторов выходного каскада. Для микросхем общего назначения выходные токи I⁰_вых и I¹_вых не превышают 1 мА. Лишь инверторы с повышенной нагрузочной способностью имеют величину выходных токов несколько мА. Например, ИС 564ЛН2 имеет I⁰_вых = 1,25 мА и I¹_вых = 8 мА.