2.2. Передаточная характеристика кмоп-схем.

Рассмотрим передаточную характеристику КМОП-инвертора, (рис. 2) состоящего из двух транзисторов: п-канального, нижнеге на схеме транзистора (будем называть его "активным"), и р-канального, верхнего на схеме, "нагрузочного". Пусть Von и Vop - пороговые напряжения соответственно п-канального и р-канального транзисторов.

При выводе передаточной характеристики будем использовать следующие выражения для вольт-амперной характеристики:

в крутой (триодной) области : I_c =b((U_з -V_on)U_c-1/2U_c²) (1)

в пологой (пентодной) области : I_c =1/2b(U_з - V_on )² (2)

где b - крутизна транзистора.

а) б)

Рис.2. Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП-инвертора от входного напряжения.

Следует отметить, что транзисторы соединяются стоками вместе, т.е. исток п-канального транзистора имеет потенциал земли, а исток р-канального - потенциал источники питания. Передаточной характеристикой называется зависимость выходного напряжения логического элемента от напряжения на его входе. На передаточной характеристике можно выделить несколько областей (см. рис. 2).

1. Входное напряжение меньше порогового напряжения Von п-канального транзистора. п-канальный транзистор закрыт. Напряжение затвор-исток р-канального транзистора больше его порогового напряжения Voр (по модулю), поэтому он полностью открыт. Напряжение на выходе равно напряжению питания, потребляемый ток равен нулю.

2. Входное напряжение больше порогового напряжения Von п-канального транзистора, но меньше половины напряжения питания. п-канальный транзистор начинает окрываться и переходит из пологой области характеристик (пентодной) в крутую (триодную). Р-канальный транзистор начинает закрываться и переходит из крутой области характеристик (триодной) в пологую (пентодную). Для нахождения выражения для передаточной характеристики приравняем токи n- и p-канального транзисторов. Ток р-канального транзистора:

I_cр=b_p((U_вх - Е - V_oр)(U_вых - Е) - 1/2(U_вых - Е)²) (3)

Ток п-канального транзистора:

I_cn=1/2b(U_вх - V_on)² (4)

Полагая I_cр=I_cn получим:

U_вых=(U_вх-V_oр)+ (U_вх-V_oр)² - 2(U_вх-1/2Е-V_oр)Е - b_n/b_p(U_вх-V_on)² (5)

3. В области значения входного напряжения равного Е/2 передаточная характеристика идет практически вертикально. При входном напряжении равном Е/2 оба транзистора открыты в одинаковой степени, потребляемый ток максимален.

4. Входное напряжение больше Е/2 и меньше (Е-V_op). Картина аналогична (симметрична) участку 2, но теперь n- и p-канальные транзисторы меняются ролями. n-канальный транзистор в крутой области, p-канальный - в пологой. Напряжение на выходе уменьшается.

Ток n-канального транзистора:

I_cn=b_n((U_вх - V_on)U_вых - 1/2*U_вых²) (6)

Ток p-канального транзистора:

I_cp=1/2*b_p(U_вх - E - V_op)² (7)

Полагая I_cр = I_cn, получим:

U_вых = (U_вх - V_on) - (U_вх - V_on)² - b_p/b_n(U_вх - E - V_op)² (8)

5. Входное напряжение больше (Е-Vop) и меньше напряжения питания. п-канальный транзистор полностью открыт, р-канальный - закрыт (его напряжение затвор-исток меньше порогового по модулю). Напряжение на выходе равно 0. При этом потребляемый ток равен нулю, т.к. р-канальный транзистор закрыт.

Отличительной чертой КМОП-схем является то, что на первом и пятом участках схема тока не потребляет (т. к. закрыт, соответственно, п-канальный или р-канальный транзистор). В этом состоянии потребляемая схемой мощность обусловлена только токами уиечки через обратно смещенные переходы сток-подложка, исток-подложка. При комнатной температуре эти токи не превышают долей микроампера и обусловленное им потребление мощности очень мало. Максимум потребляемого тока наблюдается в точке входного напряжения, равного Е/2.