2. Лабораторная работа № 5. Интегральный ключ на комплиментарных мдп-транзисторах

1. Цель работы Изучение интегральной схемы ключа на комплиментарных (дополняющих) мдп-транзисторах к176лп1, исследование основных статических и динамических характеристик.

2. Содержание работы

3. Снятие стоко-затворных характеристик I_c(U_вх) p- и n-канальных МДП-транзисторов, входящих в микросхему К176ЛП1. Определение крутизны характеристики и порогового напряжения МДП-транзисторов.

4. Исследование статических характеристик U_вых(U_вх) и I_потр(U_вх) ключа К176ЛП1.

5. Исследование переходных процессов при различных емкостных нагрузках на выходе ключа.

3. Краткие теоретические сведения

Интегральные микросхемы на комплиментарных МДП-транзисторах (КМДП ИС) содержат на одной подложке p- и n-канальные МДП-транзисторы. На рис.6 показана схема ключа, реализованного на двух МДП-транзисторах разной структуры, n-канальном VT1 и p-канальном VT2. Соединенные между собой затворы образуют вход ключа, соединенные стоки образуют выход.

Полюса источника питания подключены к истокам.

Рис.6. Ключ на комплиментарных МДП-транзисторах с индуцированным каналом

Рассмотрим работу ключа (рис.1) в статике. Для этого необходимо заметить, что для нижнего по схеме транзистора VT1 напряжение затвор-исток U_ЗИ1=U_ВХ, а для верхнего (VT2) U_ЗИ2=E-U_ВХ.

Так как в схеме применены транзисторы с индуцированным каналом, их открытие происходит при достижении напряжением затвор-исток некоторого порогового значения U_ПОР.

Рассмотрим два крайних случая. При U_ВХ=0 у транзистора VT1 канал отсутствует, сопротивление сток-исток стремится к бесконечности, так как U_ЗИ1=0<U_ПОР. Напряжение затвор-исток для транзистора VT2 превышает пороговое значение и равно

U_ЗИ2=E-U_ВХ=Е-0=Е. Таким образом, транзистор VT2 открыт, на выходе ключа напряжение приблизительно равно Е, имеется путь для протекания тока в нагрузку через открытый транзистор VT2.

При U_ВХ=Е напряжение затвор-исток для VT1 U_ЗИ1=U_ВХ=Е и существенно превышает пороговое, в результате чего в транзисторе VT1 образуется проводящий канал, и сопротивление сток-исток стремится к нулю. Транзистор VT2 при этом закрыт, так как напряжение затвор-исток для него равно нулю U_ЗИ2=E-U_ВХ=Е-Е=0.

На выходе формируется сигнал низкого уровня, то есть схема инвертирует входной сигнал.

Так как транзисторы открываются поочерёдно, схема потребляет ток от источника питания только в моменты переключения из одного состояния в другое, когда существует проводящий канал у обоих транзисторов, что является преимуществом перед однотактной схемой.

Нагрузочная способность такого ключа значительно выше изученной ранее схемы на биполярном транзисторе, так как МДП-транзисторы имеют значительно большее входное сопротивление и значительно меньшее выходное. В отличие от ключа на биполярном транзисторе, нагрузочная способность ограничивается в основном не входным током подключаемых элементов, сколько их ёмкостью, то есть снижением быстродействия. Однако, влияние нагрузочной ёмкости несколько ниже, по сравнению со схемой на биполярном транзисторе, так как нагрузочная ёмкость как разряжается, так и заряжается через приблизительно одинаковые сопротивления сток-исток.

Элементы, выполненные по технологии КМДП, обладают свойством чувствительности к статическому электричеству, поэтому их обычно усложняют соответствующими схемами защиты.