5. Индивидуальное задание

Индивидуальное задание направлено на расчет статических и динамических характеристик и параметров базовых схемотехнических структур.

6.1. Пример типового варианта индивидуального задания

Провести расчет статических и динамических параметров и характеристик базовой схемотехнической структуры на комплементарных МОП-транзисторах.

Рис. 6.1. Базовая схемотехническая структура на комплементарных МОП-транзисторах

Исходные данные:

№ п/п	Параметр
	Название	Обозн.	Ед. изм.	Значе-ние
1	Уровень напряжения лог. “0”	U0	В	≤0,01
2	Уровень напряжения лог. “1”	U1	В	≥14,9
3	Пороговое напряжение тр-ра n-типа	Uпор.n	В	2,5
4	Пороговое напряжение тр-ра p-типа	Uпор.p	В	-1,5
5	Коэффициент объединения	Kоб		2
6	Коэффициента разветвления	Краз		60
7	Удельная крутизна тр-ра n-типа	Kn	мА/В2	0,3
8	Удельная крутизна тр-ра p-типа	Kp	мА/В2	0,2
9	Частота переключения	f	МГц	≤5
10	Максимальная емкость нагрузки	Cн	пФ	10
11	Сопротивления утечки транзисторов	Rут	МОм	10
12	Остаточные токи транзисторов	Io	мкА	1

6.2. Пример выполнения индивидуального задания

Принцип работы

Заданная схемотехническая структура (рис. 6.1) обеспечивает выполнение логической функции 2И-НЕ. По каждому входу структура содержит комплементарную пару МОП-транзисторов, причем управляющие n-канальные МОП-транзисторы с индуцированным каналом включены последовательно, а нагрузочные p-канальные МОП-транзисторы с индуцированным каналом включены параллельно.

Когда напряжение на входах равно нулю, управляющие транзисторы выключены, так как , где- пороговое напряжение транзистораn-типа. Для нагрузочных транзисторов . Если, где- пороговое напряжение транзистораp-типа, то нагрузочные транзисторы оказываются открытыми. При этом напряжение на выходе близко к величине напряжения питания: .

При подаче на вход напряжения высокого уровня , обеспечивается выполнение условияи соответствующий управляющий транзистор включен. Для нагрузочного транзистора, поэтому нагрузочный транзистор выключен. При этом напряжение на выходе зависит от комбинации входных сигналов. Если высокий уровень напряжения подан на оба входа, то во включенном состоянии находятся оба управляющих транзистора, а в выключенном – оба нагрузочных транзистора. В этом случае суммарное сопротивление управляющих транзисторов мало и на выходе формируется напряжение низкого уровня. Если же на один из входов подан низкий уровень напряжения, то соответствующий управляющий транзистор выключен, а нагрузочный – включен. В результате суммарное сопротивление управляющих транзисторов велико, а эквивалентное сопротивление нагрузочных транзисторов мало и на выходе формируется напряжение высокого уровня.

Если , то с ростом напряжения на затворе нагрузочные транзисторы закрываются раньше, чем открываются управляющие транзисторы, и в некотором диапазоне изменения входного напряжения напряжение на выходе зависит от соотношения остаточных токов в стоковых цепях транзисторов.

Если , то с ростом входных напряжений вначале открываются управляющие транзисторы, а затем закрываются нагрузочные транзисторы и в некотором диапазоне изменения входных напряжения все транзисторы оказываются открытыми.

В режиме, когда , при переключении один из транзисторов всегда оказывается закрытым и препятствует протеканию большого сквозного тока.

Передаточная характеристика, соответствующая условию , обеспечивает лучшие значения статических параметров, поэтому условиеявляется условием нормальной работы элемента.

Расчет статических параметров

Расчет статических и динамических параметров заданной базовой схемотехнической структуры на комплементарных МОП-транзисторах основан на предварительной замене последовательно включенных управляющих транзисторов одним эквивалентным транзистором с удельной крутизной

,

и параллельно включенных нагрузочных транзисторов одним эквивалентным транзистором с удельной крутизной

.

Принимая однотипные транзисторы идентичными определяем эквивалентную удельную крутизну управляющих транзисторов

и нагрузочных транзисторов

.

Для обеспечения условия нормальной работы

выбираем напряжение питания .

Высокий и низкий уровни выходного напряжения

В; В.

Логический перепад

В.

Пороговое напряжение

.

Помехозащищенность по уровню логического “0”:

В.

Помехозащищенность по уровню логической “1”

В.

Помехоустойчивость по уровню логического “0”

.

Помехоустойчивость по уровню логической “1”

.

Как видно из расчетов, форма передаточной характеристики отличается от оптимальной, поскольку ,,.

Используя систему уравнений Хофстайна для МОП-транзистора с индуцированным каналом

и учитывая, что ,,, получим аналитическое выражение передаточной характеристики базовой схемотехнической структуры на комплементарных МОП-транзисторах вида

Передаточная характеристика представлена на рис. 6.2

Рис. 6.2. Передаточная характеристика базовой схемотехнической структуры на комплементарных МОП-транзисторах

Расчет динамических параметров

Примем следующие значения паразитных емкостей:

пФ, пФ.

При расчете динамических параметров эквивалентную паразитную емкость определяют в соответствии с выражением:

где , .

Подставляя числовые значения, находим

пФ.

Время перехода из состояния логической “1” в состояние логического “0”:

В,

с.

Время перехода из состояния логического “0” в состояние логической “1”:

с.

Эквивалентная постоянная времени при включении

с.

Время задержки распространения при включении

с.

Эквивалентная постоянная времени при выключении

с.

Время задержки распространения при выключении

с.

Среднее время задержки распространения

с.

Расчет энергетических параметров

Статическая мощность, потребляемая базовой структурой на комплементарных транзисторах во включенном состоянии:

,

где и- остаточный ток и сопротивление утечкиp-канальных транзисторов.

Подставляя числовые значения, получим

Вт

Статическая мощность, потребляемая базовой структурой на комплементарных транзисторах в выключенном состоянии:

где и- остаточный ток и сопротивление утечкиn-канальных транзисторов.

Подставляя числовые значения, получим

Вт

Средняя статическая мощность потребления

Вт.

Средняя динамическая мощность потребления

Вт.