Экзамен микроэлектроника / Лекции / 16. динамика работы МДП

Динамика работы МДП логических схем

Быстродействие МДП схем определяется, прежде всего, емкостями нагрузки и паразитными емкостями МДП транзисторов. При необходимости можно учесть инерционность канала, характеризуемую постоянной времени . На рисунке приведен ключ на транзисторе с резисторной нагрузкой, работающий в последовательной цепочке на аналогичный ключ.

Слева показана эквивалентная схема, в которой все емкости заменены одной емкостью:

Типичные значения суммарной емкости составляют, как правило, 1-3пФ. Она включает в себя следующие компоненты:

• – емкость затвор-канал, которая в отличие от других емкостей, является органически свойственной МДП транзисторам;

• – емкость сток-подложка (барьерная емкость p-n перехода сток-подложка);

• – паразитная емкость монтажных соединений относительно подложки;

• – емкости затвора относительно областей стока и истока.

Происхождение коэффициента связано с эффектом Миллера. . Эффект Миллера заключается в кажущемся увеличении эквивалентной емкости усилительного каскада из-за действия обратной связи. Коэффициент может принимать значения от единиц до нескольких десятков. При этом значение емкости становится доминирующим.

Пусть в исходном состоянии транзистор открыт и на нем падает небольшое остаточное напряжение. При подаче запирающего импульса транзистор закрывается, и ток в нем уменьшается с малой постоянной времени . После запирания транзистора емкость заряжается от источника питания через резистор с постоянной времени .

Процесс заряда описывается простейшей экспоненциальной функцией:

Время заряда, т.е. длительность фронта на уровнях составляет примерно .

Например, если , и , то и .

Если в этой формуле заменить сопротивление соотношением , то длительность фронта можно представить в виде:

Тогда становится очевидно, что длительность фронта определяется величиной рабочего тока.

При подаче отпирающего импульса ток практически мгновенно (с малой постоянной времени ) достигает значения

Этим током начинает разряжаться емкость . По мере разряда емкости напряжение на стоке уменьшается. До тех пор, пока остается больше напряжения насыщения, равного , транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение .

Когда напряжение , уменьшаясь, становится меньше напряжения насыщения, ток начинает спадать, стремясь в пределе к . Опуская математические выкладки запишем приблизительно время среза, которое можно использовать для практических расчетов:

.

Например, при ; ; и , то и .

Как видим, время среза значительно короче времени нарастания фронта.

Таким образом, быстродействие данного ключа определяется в основном временем нарастания фронта. Осциллограммы переходных процессов изображены на рисунке:

В ключе с динамической нагрузкой

Формирование среза происходит так же, как в ключе с резисторной нагрузкой и время среза определяется такой же формулой . Это совпадение объясняется тем, что при выводе данной формулы мы пренебрегли током нагрузки . Ток будет определяться соотношением: .

Формирование фронта происходит в период заряда емкости через нелинейную динамическую нагрузку. Учитывая параболический характер ВАХ, можно сразу сказать, что заряд емкости буде протекать медленнее, чем при резистивной нагрузке, и время будет больше. Его можно оценить по приближенной формуле: , где ток насыщения выражается формулой:

Заметим также, что в данном ключе в состав нагрузочной емкости следует включить емкость , а в случае интегрального исполнения ещё и , учитывая, что в интегральном исполнении у транзисторов общая подложка.

Таким образом, быстродействие ключа с динамической нагрузкой также как и ключа с резисторной нагрузкой, определяется временем фронта, причем в последнем случае оно несколько больше, чем у ключа с резисторной нагрузкой. Легко показать, что отношение определяется в первую очередь отношением . Уменьшение этого отношения приводит к увеличению остаточного напряжения, поэтому повышение быстродействия требует увеличение удельной крутизны обоих транзисторов, что приведет к увеличению площади элементов. Поэтому, в интегральном исполнении этот путь повышения быстродействия нецелесообразен.

В КМОП ключах переходные процессы характеризуются тем, что заряд и разряд нагрузочной емкости происходят примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы.

Заряд емкости нагрузки происходит через открытый транзистор , а разряд – через открытый транзистор при запертом . В обоих случаях транзистор, открывшийся после очередного переключения, сначала работает в режиме насыщения со сравнительно большим током , а затем, по мере заряда или разряда емкости, напряжение на стоке падает ниже значения и ток начинает уменьшаться. Механизм процессов заряда и разряда аналогичен тому, который был рассмотрен для случая с резисторной нагрузкой. Соответственно длительности фронтов определяются однотипными выражениями для времени среза ключа с резистивной нагрузкой:

Индексы 1 и 2 указывают на различие параметров n- и p-канальных транзисторов, но это различие второстепенно. На практике длительность фронта и среза оказываются одинаковыми.

Если задать и , то .

Можно сделать вывод о том, что быстродействие КМОП схем на порядок выше быстродействия других типов ключей на МДП транзисторах. Другой важной особенностью КМОП является практически отсутствие потребления энергии в статическом режиме. Заметная энергия потребляется только в моменты переключения схемы.

Кроме того, из-за конечной длительности фронта входного сигнала, оба транзистора на короткое время оказываются открытыми, что приводит к короткому импульсу тока потребления от источника питания. Поэтому, использование КМОП ключей при очень пологом фронте входного сигнала может приводить к тепловому разрушению транзисторов при большом сквозном токе.

Для всех типов МДП ключей главным путем повышения быстродействия является уменьшение суммарной емкости . При заданной емкости быстродействие повышается с увеличением токов, в частности, увеличением питающих напряжений.

Логические элементы на КМОП ключах

Основное достоинство КМОП ключей в том, что изменение выходного напряжения не связано с изменением тока – он остается близким к нулю. Это преимущество сохраняют и КМОП ЛЭ. На рисунке изображены два типовые ЛЭ КМОП.

Из рисунков видна закономерность построения структуры ЛЭ КМОП: параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением другого типа транзисторов. Выполняемая логическая функция определяется нижним набором транзисторов.

Рассмотрим работу схемы 2-ИЛИ-НЕ. Пусть на оба логических входа поданы уровни . Тогда в n-канальных транзисторах и канал отсутствует, т.е. они заперты. В p-канальных транзисторах и образуются каналы, и они открыты, т.к. разность потенциалов . В этом случае через каналы открытых транзисторов протекают ничтожно малые токи, и на них падает малое остаточное напряжение. Поэтому выходное напряжение можно считать равным напряжению питания: . Если теперь на вход А подать напряжение логической единицы , то в транзисторе образуется канал и он открывается, а в транзисторе канал исчезает и он закрывается. Ничтожно малый остаточный ток дает в открытом транзисторе малое, практически нулевое остаточное напряжение, поэтому можно считать . Соответственно логический перепад составит . КМОП ЛЭ обладают всеми преимуществами КМОП ключей. Кроме того их можно питать малыми напряжениями, не превышающими .

Коммутационный ключ на КМОП элементе (электронное реле).

Поскольку при размыкании и замыкании канала полевого транзистора управляющий сигнал гальванически отвязан от коммутируемой цепи, то такой ключ может замыкать и размыкать последовательные электрические цепи. В отличие от КМОП логического элемента с инверсией, на затворы p- и n-канального транзистора подаются противоположные логические сигналы. Таким образом, оба транзистора открываются и закрываются одновременно. Канал проводимости в таком ключе двунаправленный и может проводить ток в любом направлении. Вход называется разрешающим. Такой ключ может пропускать в обе стороны логические сигналы от 0 до .

9