ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧА НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МДП ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: Изучение принципа работы КМДП - ключа (ключа на комплементарных МДП транзисторах), определение средней работы переключения КМДП - ключа и её связи с топологическим размером транзистора.

Исследуемая схема

Выполнение задания:

Статический режим.

Получение передаточной характеристики U_вых= f(U_вх) и определение потребляемой мощности статического состояния Рстат.

Напряжение источника питания V1 E_пит= 5 В

Ток статического состояния ISource =15.03 пА =15,03*10^-12А

Рассчитываем ток всех трех ключей:

I_старт= ISource/3

I_старт= (1,503*10^-11)/3

I_старт=5,01*10^-12 А

Рассчитываем потребляемую ключом мощность статического состояния:

P_мтат=E_пит* I_старт

P_мтат = 5*(5,01*10^-12)

P_мтат =2,505*10^-12 Вт

Временная диаграмма исследуемого среднего ключа.

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

t = (t₀₁ + t₁₀)/2

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0,520 нс = 5,20*10^-10 с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0,481 нс =4,81*10^-10 с

t=(4,81*10^-10 +5,20*10^-10)/2

t=5,005*10^-10 с

Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

ISource = 1,377 мА = 1,377*10^-6 А

I_дин= ISource/3

I_дин = (1,377*10^-6)/3

I_дин =4,59*10^-7 А

E_пит= 5 В

P= I_дин* E_пит

P=(4,59*10^-7)*5

P= 22,95*10^-7 А

Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей с тактовой частотой f =200 МГц (20*10⁷), то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину:

P_pacc = m*f*P*t

количество ключей m = 10⁸

P_pacc = 10⁸*20*10⁷*22,95*10^-7*4,275*10^-10

P_pacc = 19.66 Дж

Согласно заданному варианту, уменьшить в n раз все три основные емкости транзистора Q1 и Q4:

CGSO – ёмкость затвор-исток;

CGDO – ёмкость затвор-сток;

CGBO – ёмкость затвор-подложка.

Емкости транзистора Q1:

Емкость	Было	Стало
CGSO	200N	25N
CGDO	200N	12N
CGBO	100N	25N

Емкости транзистора Q4:

Емкость	Было	Стало
CGSO	200N	25N
CGDO	200N	12N
CGBO	100N	25N

W=L=5u=5*10^-6

Выполняем новый расчет с изменёнными емкостями транзисторы:

Быстродействие ключа определяется средним временем переключения:

t = (t₀₁ + t₁₀)/2

где:

t₀₁ – время переключения из состояния 0 в состояние 1, = 0,151 нс = 1,51*10^-10 с

t₁₀ – время переключения из состояния 1 в состояние 0. = 0,137 нс = 1.37*10^-10 с

t=(1,51*10^-10 + 1.37*10^-10)/2

t=1,44*10^-10 с

Средний потребляемый ток исследуемого ключа в режиме переключений

ISource = 112.328 нА = 11,2328 *10^-8 А

I_дин= ISource/3

I_дин = (11,2328 *10^-8)/3

I_дин = 3,74427*10^-8 А

E_пит= 5 В

P= I_дин* E_пит

P=(3,74427*10^-8)*5

P=1,87214 *10^-7 А

Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей с тактовой частотой f =200 МГц (20*10⁷), то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину:

P_pacc = m*f*P*t

количество ключей m = 10⁸

P_pacc = 10⁸*20*10⁷*1,87214 *10^-7 *1,44*10^-10

P_pacc = 0,5391Дж

Рассчитаем минимальный топологический размер видоизмененной схемы w_изм. для этого расчёта имеет вид:

w_изм = w(P_измt_изм/Pt)^1/2

w_изм = 5*10^-6((1,87214 *10^-7 *1,44*10^-10)/ 0,5391)^1/2

w_изм = 3,535*10^-14

Вывод:

В ходе лабораторной работы были изучены физические принципы функционирования биполярного транзистора (БТ), особенности его изготовления и взаимосвязь конструкции, размеров и параметров.

Справочный материал:

Приставки СИ

В программе используются следующие принятые в программе МС10 буквенные обозначения множителей для численных значений: