Cadence / laba4 / лаба4

Лабораторная работа №4.

Тестируемая схема 3И-НЕ:

Способы переключения схемы занесены в таблицу 1.

Для объяснения разницы задержек и фронтов возьмем два каких-нибудь переключения и покажем, чем отличается их принцип работы. Сравнивать будем для первого и третьего случаев, поскольку они идентичны по переключению. В идеале их задержки и фронты должны быть одинаковыми. Но реально происходит следующее: в открыто состоянии у транзистора имеется какое-то сопротивление канала и какая-то выходная емкость (рис.1.). Поскольку для первых 3х случаев емкость p-канального транзистора заряжается и разряжается одинаково, то влияние ее можно учесть в общей емкости. Теперь для первого состояния, пока на входе А2 держится 0, транзистор М4 открыт, а значит нагрузочная емкость заряжена до Еп, транзисторы М1 и М2 открыты, и их емкости заряжены также до Еп, транзистор М3 закрыт, но его емкость исходя из представления на рисунке тоже заряжена до Еп. Теперь переключаем вход А2 из 0 в 1. При это увеличивается сопротивление канала p-канального транзистора, а транзистор М3 наоборот открывается. Все емкости начинают разряжаться до 0. Этот процесс происходит относительно быстро, а поскольку основной вклад здесь вносит нагрузочная емкость, при каждого в отдельности входа из 0 в 1 задержка и фронт остаются примерно постоянными.. Совсем друге дело, когда напряжение меняется потом от 1 до 0. Транзистор М4 открывается, а М2 опять закрывается. Тогда для окончания переходного процесса нужно зарядить все емкости в цепочке (см. рисунок), а на это уходит самое большое время, поскольку данная цепочка имеет при переключении одного входа самое большое число емкостей.

Для случая 3 рассмотрим рисунок 2.

Здесь при подаче на вход сначала 1 разряжается емкость транзистора М1 и нагрузочная. Когда же подается сигнал из 1 в 0, М1 закрывается и время переключения затрачивается только на зарядку нагрузочной емкости и емкости транзистора М1. Соответственно времени затачивается меньше, что и подтверждается теорией.

Оценим теперь статические характеристики, а именно характер изменения порогового напряжения.

Здесь существенную роль играет сопротивление каналов открытых и закрытых транзисторов, и соответственно падение напряжения на них (рис .4.). Рассмотрим первый случай. Для него транзисторы М1 и М2 открыты (p-канальные транзисторы опять же не рассматриваем в силу их аналогичности переключения для первых трех случаев), следовательно, они имеют маленькое сопротивление канала. Транзистор начинает открываться. Когда значение V_gs=V_g-0=V_g достигает порогового напряжения n-канального транзистора, он откроется и через него начнет протекать ток. При этом сопротивление канала p-канального транзистора увеличивается, и ток через него перестает протекать. В системе установится логический ноль. В третьем случае ситуация почти такая же. Только транзистор М1 откроется при значении V_gs=V_g-V_dM2=V_g-(I_dпR_M2+I_dпR_M3)=V_g-2I_dпRn=V_to, где Rn – сопротивление канала открытого n-канального транзистора. Тогда значение V_g=V_to+2I_dпR_n, а поскольку в транзисторе в закрытом состоянии текут подпороговые токи, то величина 2I_dR_n больше нуля. Соответственно для открытия транзистора надо подать большее напряжение на затвор (вход), а следовательно порог сместится вверх. Это подтверждается измеренными значениями в таблице.