3.5.2. Поведение схемы с активными нагрузками

Как уже сказано, входы КМОП-вентиля имеют очень большое сопротивление и потребляют очень малый ток от схем, которые управляют ими. Но существуют и другие устройства, для которых требуется значительный ток. Когда такое устрой­ство подключено к выходу КМОП-схемы, мы называем его активной омической нагрузкой (resistive load) или нагрузкой по постоянному току (DC load). Приве­дем несколько примеров активных омических нагрузок:

• Дискретные резисторы могут быть включены в качестве согласующих компо­нентов на конце линии передачи. Эти вопросы обсуждаются в параграфе 11.4.

• Дискретные резисторы реально могут не присутствовать в схеме, но нагрузка в виде одного или большего числа входов ТТЛ-схем или других схем не КМОП-семейства может быть представлена простой резистивной цепью.

• Резисторы могут быть частью потребляющего ток устройства типа светодиода или обмотки реле или имитировать такое устройство.

К огда к выходу КМОП-схемы подключена активная омическая нагрузка, схема ведет себя не так идеально, как было описано раньше. При любом значении сигна­ла на выходе КМОП-схемы тот из выходных транзисторов, который «открыт», имеет отличное от нуля сопротивление, и наличие нагрузки на выходе вызывает паде­ние напряжения на этом сопротивлении. Таким образом, при низком уровне сигнала выходное напряжение может быть несколько больше, чем 0.1 В, а при высоком уровне сигнала оно может оказаться меньше, чем 4.4 В. Самый простой способ разобраться, как это происходит, состоит в анализе резистивной модели КМОП-схемы и нагрузки.

Рис. 3.27. Резистивная модель КМОП-инвертора с активной омической нагруз­кой: (а) показана реальная цепь нагрузки; (b) к нагрузке применена теорема Тевенина

На рис. 3.27(а) представлена резистивная модель инвертора. Сопротивления р-канального и n-канального транзисторов обозначены как Rр и Rn соответственно. При нормальной работе сопротивление одного из них велико (> 1 МОм), а сопро­тивление другого мало (около 100 Ом), в зависимости от того, какому уровню, высокому или низкому, соответствует входное напряжение. Нагрузка в этой схеме состоит из двух резисторов, подключенных к шине питания и к земле; в реальной схеме число резисторов может быть любым. Кроме того, нагрузка может пред­ставлять собой даже более сложную резистивную цепь. В любом случае, актив­ную омическую нагрузку, состоящую только из резисторов и источников напря­жения, всегда можно представить в виде эквивалентной схемы, применяя теорему Тевенина, как показано на рис. 3.27(b).

Теорема тевенина

Любой двухполюсник, состоящий только из источников напряжения и резис­торов, можно представить в виде эквивалентной схемы (Thevenin equivalent), содержащей последовательно включенные один резистор и единственный ис­точник напряжения. Напряжение источника в эквивалентной схеме (напря­жение Тевенина; Thevenin voltage) равно напряжению холостого хода исход­ного двухполюсника, а сопротивление в эквивалентной схеме (сопротивление Тевенина; Thevenin resistance) находится как напряжение Тевенина, деленное на ток короткого замыкания исходного двухполюсника.

В примере на рис. 3.27 напряжение Тевенина для активной нагрузки, с учетом ее подключения к шине питания V_CC, определяется сопротивлениями резисторов 1 кОм и 2 кОм, которые образуют делитель напряжения:

Ток короткого замыкания равен (5.0 В) / (1 кОм) = 5 мА, так что сопротивление Тевенина равняется (3.33 В) / (5 мА) = 667 Ом. Сведущий читатель может увидеть, что эта величина равна сопротивлению параллельно включенных ре­зисторов с сопротивлениями 1 кОм и 2 кОм.

Когда на вход КМОП-инвертора подан сигнал высокого уровня, выходной сигнал должен иметь низкий уровень; реальное выходное напряжение можно предсказать, используя резистивную модель, показанную на рис. 3.28. Транзистор с р-каналом «закрыт» и его сопротивление столь велико, что им можно пренебречь в последую­щих вычислениях. Транзистор с n-каналом «открыт» и имеет малое сопротивление порядка 100 Ом. (Фактическое сопротивление «открытого» транзистора зависит от конкретного КМОП-семейства и от других характеристик и обстоятельств, напри­мер, от рабочей температуры и от того, была ли данная схема изготовлена в «хороший» день.) «Открытый» транзистор и эквивалентный резистор Rn , показанные на рис. 3.28, образуют простой делитель напряжения. Результирующее выходное на­пряжение можно найти следующим образом:

Т очно так же, когда на входе инвертора действует сигнал низкого уровня, выходной сигнал должен иметь высокий уровень, и фактическое выходное напряже­ние можно определить, воспользовавшись моделью, приведенной на рис. 3.29. Предположим, что сопротивление «открытого» р-канального транзистора равно 200 Ом. Снова, «открытый» транзистор и эквивалентный резистор Rphev, указанные на рисунке, образуют простой делитель напряжения; результирующее выходное напряжение можно рассчитать следующим образом:

Р ис. 3.28. Резистивная модель выходной цепи КМОП-инвертора с активной омической нагрузкой при низком уровне выходного напряжения

Р ис. 3.29. Резистивная модель выходной цепи КМОП-инвертора с активной омической нагрузкой при высоком уровне выходного напряжения

На практике потребность вычислять выходные напряжения так, как это сделано в предыдущих примерах, встречается редко. Действительно, изготовители ИС обычно не указывают эквивалентные сопротивления «открытых» транзисторов, поэтому у вас отсутствовала бы необходимая информация, пожелай вы все же провести такой расчет. Вместо этого производители указывают максимальную нагрузку на выходе для каждого из уровней - высокого (HIGH) и низкого (LOW) - и гарантируют определенное выходное напряжение при такой нагрузке в самом плохом слу­чае. Нагрузка определяется на основании известных токов:

I_{OL max} - максимальный ток, втекающий в схему со стороны ее выхода при низ­ком уровне и при условии, что выходное напряжение не больше V_{OL max}

I_{OH max} - максимальный ток, вытекающий из схемы со стороны ее выхода при высоком уровне и при условии, что выходное напряжение не меньше I_{OH min}

Иллюстрацией этих определений служит рис. 3.30.

Г оворят, что через выход схемы течет втекающий ток (sinking current), когда он протекает от источника питания в нагрузке по нагрузке и по выходной цепи устройства на землю, как показано на рис. З.ЗО(а). Говорят также, что через выход течет вытекающий ток (sourcing current) в том случае, когда его путь проходит от источника питания в схеме по ее выходной цепи и по нагрузке на землю, как это изображено на рис. 3.30(b).

Большинство КМОП-схем имеет две совокупности нагрузочных характерис­тик. Одна из них - для «КМОП-нагрузки», когда выход схемы подключен ко входам других КМОП-схем, потребляющих очень небольшой ток. Другой набор характеристик - для «ТТЛ-нагрузки», когда выход соединен с активной омической нагрузкой типа входов ТТЛ-схем или с другими устройствами, потребляющими существенный ток. В качестве примера в табл. 3.3 приведены выходные характеристики КМОП-схем серии НС, и они повторены в табл. 3.4.

Обратите внимание, что выходной ток для высокого уровня выражается отри­цательным числом. Обычно принято считать, что электрический ток (current/low), измеряемый на выходе устройства, положителен, если он втекает в устройство; при наличии высокого уровня на выходе вентиля ток вытекает из него.

Т абл. 3.4. Выходные нагрузочные характеристики для КМОП-схем серии НС при напряжении питания 4.5 В

Как следует из таблицы, при КМОП-нагрузке выходное напряжение КМОП-вентилей поддерживается на уровнях, отличающихся от потенциала земли и от напряжения питания не более чем на 0.1 В. При ТТЛ-нагрузке выходное напряже­ние может измениться, но совсем немного. Обратите также внимание на то, что при одном и том же выходном токе (±4 мА) максимальное уменьшение напряжения высокого уровня относительно напряжения питания (0.66 В) вдвое больше, чем максимальное напряжение низкого уровня (0.33 В). Это означает, что р-канальные транзисторы в КМОП-схемах серии НС имеют большее сопротивление в «открытом» состоянии, чем транзисторы с и-каналом. Это естественно, так как в любой КМОП-схеме сопротивление «открытого» p-канального транзистора более чем вдвое превосходит сопротивление «открытого» транзистора с я-каналом при одной и той же площади. Равные падения напряжения для обоих уровней можно получить путем изготовления транзисторов ср-каналом много больших размеров, чем транзисторов с «-каналом, но по различным причинам это не было сделано.

В данной ситуации для определения величины втекающего или вытекающего тока можно воспользоваться законом Ома. На рис. 3.28 «открытый» транзистор с п-каналом представлен 100-омным резистором, падение напряжения на котором со­ставляет 0.43 В; поэтому втекающий ток равен (0.43 В) / (100 Ом) = 4.3 мА. Аналогично «открытый» транзистор с p-каналом, изображенный на на рис. 3.29 в виде 200-омного резистора, обеспечивает вытекающий ток (0.39В)/ (200 Ом) = 1.95 мА.

Ф актически сопротивления «открытых» выходных транзисторов КМОП-схем, как правило, в справочных данных не приводятся, поэтому не всегда можно вос­пользоваться точными моделями, приведенными выше. Однако сопротивления «открытых» транзисторов можно оценить, используя следующие соотношения, опирающиеся на обычно сообщаемые параметры:

В этих соотношениях используется закон Ома, и сопротивления «открытых» транзисторов определяются как частное отделения напряжения на транзисторе на ток, протекающий через него при активной омической нагрузке в наихудшем слу­чае. Используя численные значения токов и напряжений, приведенные для КМОП-схем серии НС в табл. 3.4, можно подсчитать, что R_p(on) > = 175 Ом, а R_n(on) = 82.5 Ом.

Очень хорошие оценки выходного тока в наихудшей ситуации можно полу­чить полагая, что на «открытом» транзисторе нет никакого падения напряжения. Это предположение упрощает анализ и дает приемлемый результат, который по­чти всегда достаточно хорош для практических целей. Например, на рис. 3.31 пока­зан КМОП-инвертор, выход которого подключен к такой же нагрузке, представлен­ной по теореме Тевенина в виде эквивалентной схемы, какой мы воспользовались в предыдущих примерах. Резистивная модель выходной цепи не показана, поскольку в этом больше нет необходимости; мы предполагаем, что на «открытых» КМОП-транзисторах нет никакого падения напряжения. При наличии на выходе низкого уровня [рис. 3.31 (а)], все напряжение источника в эквивалентной схеме нагрузки, равное 3.33 В, приложено к резистору R_Thev , и втекающий ток примерно равен (3.33 В) / (667 Ом) = 5.0 мА. Согласно рис. 3.31(b) при высоком уровне на выходе и в предположении, что напряжение питания равно 5.0 В, падение напряжения на р езисторе R_Thev составляет 1.67 В, а вытекающий ток примерно равен (1.67 В) / (667Ом) = 2.5мА.

Рис. 3.31. Оценка втекающего и вытекающего токов: (а) низкий уровень на вы­ходе; (b) высокий уровень на выходе

Важным свойством КМОП-инвертора (или любой другой КМОП-схемы) является то, что выходная цепь сама по себе потребляет очень небольшой ток при любом из уровней сигнала на выходе - высоком или низком. В каждом из этих случаев один из транзисторов находится в «закрытом» состоянии и его сопротив­ление велико. Весь ток, о котором мы говорили, течет только тогда, когда к выходу КМОП-схемы подключена активная омическая нагрузка. Если нагрузка отсутству­ет, то ток не течет, и потребляемая мощность равна нулю. Однако при подключен­ной нагрузке токи текут и через нагрузку, и через «открытый» транзистор, и в том и в другом рассеивается мощность.