МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Московский государственный институт электроники и математики
(технический университет)
Кафедра «Электроники
и Электротехники»
Лабораторная работа № 1 на темы:
«Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных транзисторно-транзисторных схем» «Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных МОП-транзисторах»
Выполнил:
студент группы С-41
бригада №1
Панфилов А.А.
Руководитель:
Орехов Е.В.
Москва 2010
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение особенностей режимов работы и параметров интегральных ТТЛ- и КМОП-схем. Исследование передаточных характеристик ТТЛ- и КМОП-схем. Исследование переходных характеристик схем, характеризующих быстродействие схемы. Приобретение навыков работы с интегральными схемами. Приобретение навыков расчёта схем с помощью программ схемотехнического анализа.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Принцип действия.
Пусть на один вход подано напряжение
логической единицы
,
напряжение на второй вход подаётся
напряжение
,
изменяющееся от нуля до уровня логической
единицы
.
При
ток коллектора многоэмиттерного
транзистора Т1 равен нулю, поэтому
потенциалы на базах транзисторов Т2 и
Т4 равны нулю и эти транзисторы закрыты.
Тогда потенциал на базе Т3 равен уровню
логической единицы.
С ростом потенциала
напряжения на схеме не меняются пока
не начнёт открываться транзистор
Т2. Тогда появится ток
коллектора транзистора Т2 и потенциал
коллектора Т2 получит приращение
.
Это изменение передаётся через эмиттерный
повторитель на выход схемы.
Когда входное напряжение превысит сумму пороговых напряжений транзисторов Т2 и Т4, то эти транзисторы откроются и ток базы транзистора Т2 резко возрастёт, потенциал коллектора резко уменьшится, а выходное напряжение упадёт.
При выходном напряжении, превышающем напряжение на эмиттерных переходах транзисторов Т2 и Т4 в режиме насыщения, транзистор Т3 закроется и выходное напряжение станет равным напряжению насыщения транзистора Т4.
Передаточная характеристика
1. Участок
.
,
где
- напряжение на открытом диоде.
2. Участок
.
,
где
,
а
- напряжение на коллекторе насыщенного
транзистора
.
3. Участок
.
- сумма напряжений на эмиттерных переходах
транзисторов Т2 и Т4 в режиме насыщения.
,
где
- входное сопротивление транзистора
Т4.
4. Участок
.
.
Входная характеристика
1. Участок
.
2. Участок
,
схема в состоянии логической единицы.
Ток разветвляется: часть тока вытекает из схемы, а другая часть течёт в базу Т2.
3. Участок
,
схема в состоянии логического нуля.
Ток втекает в схему и определяется током
смещённого в обратную сторону эмиттерного
-перехода:
.
Зависимость тока источника питания от входного напряжения
Токи потребления в режимах логического нуля и логической единицы значительно меньше токов потребления схемы в состоянии переключения.
Если на хотя бы одном входе
,
то
.
Если на всех входах
,
то:
.
В состоянии переключения схема потребляет ток
В состояниях логического нуля и логической единицы потребляемые мощности равны
;
.
Задержка выключения схемы определяется
временем рассасывания носителей заряда
в транзисторах
и
,
и величиной ёмкости нагрузки. Задержка
включения определяется фронтом
транзистора
и величиной ёмкости нагрузки.
ТТЛ-СХЕМА
Измерения
Измеряются величины входного напряжения на входе микросхемы и на выходе схемы. Передаточная характеристика снимается при различных коэффициентах разветвления.
N=1 результаты измерения заносятся в таблицу:
|
N=1 |
|||
|
|
|
|
|
|
0 |
-1,57 |
18,2 |
6,55 |
|
0,5 |
-1,459 |
18,1 |
6,54 |
|
1 |
-1,220 |
32,7 |
3,52 |
|
1,5 |
-0,587 |
22 |
44,2 |
|
2 |
|
21,9 |
|
|
2,5 |
|
21,9 |
|
|
3 |
|
21,9 |
|
|
3,5 |
|
21,9 |
|
|
4 |
|
21,9 |
|
|
4,5 |
|
21,9 |
|
|
5 |
|
21,9 |
|
|
Скачок |
|||
|
|
|
|
|
|
1,6 |
|
21,9 |
|
|
1,7 |
|
21,9 |
|
|
1,8 |
|
21,9 |
|
|
1,9 |
|
21,9 |
|
По данным таблицы построим зависимость
:
По данным таблицы построим зависимость
:
По данным таблицы построим зависимость
:
КМОП-СХЕМА
Теоретическое введение
Название КМОП расшифровывается как “комплементарные (взаимодополняющие) МОП” и означает, что в структуре имеются МОП транзисторы с каналами различного типа: n-канальные и p-канальные. Условием комплементарности транзисторов является равенство (по модулю) их пороговых напряжений и крутизны.
Схема и поперечное сечение КМОП пары:
При изготовлении КМОП схем обычно п-канальные транзисторы создаются непосредственно в р-подложке, а для р-канальных транзисторов используется карман п-типа. В ряде случаев ситуация может быть обратной. Параметры логических схем с КМОП- структурой близки к идеальным: они имеют симметричную передаточную характеристику с высокой помехозащищенностью; большое входное и малое выходное сопротивления; предельно малое потребление мощности в статическом режиме; большую нагрузочную способность.
Передаточная характеристика КМОП-схем
Рассмотрим передаточную характеристику
КМОП-инвертора, (рис. 2) состоящего из
двух транзисторов: n-канального,
нижнего на схеме транзистора (будем
называть его "активным"), и
р-канального, верхнего на схеме,
"нагрузочного". Пусть
и
– 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:
;
в пологой (пентодной) области:
,
где β – крутизна транзистора.
Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП-инвертора от входного напряжения:
Переходная характеристика КМОП-схем
Длительности переходных процессов в КМОП схемах (величины фронтов) зависят от паразитных емкостей схемы и величины токов их заряда и разряда. Длительность положительного фронта, т.е. роста сигнала от логического "0" до логической "1", определяется зарядом паразитной емкости от источника питания через р-канальные нагрузочные транзисторы. Длительность отрицательного, т.е. уменьшения сигнала от "1" до "0", определяется разрядом паразитной емкости через п-канальные активные транзисторы на землю. Паразитная емкость включает в себя следующие составляющие:
- емкости сток-подложка активных и нагрузочных транзисторов;
- емкость нагрузки, подключенной к выходу логической схемы;
- емкости межсоединений.
В динамическом режиме микросхемы КМОП
потребляют динамическую мощность на
периодическую перезарядку паразитных
емкостей:
,
где f - частота работы схемы; Е -
напряжение питания; Сн- паразитная
емкость.
Логические элементы на КМОП-транзисторах
Логические схемы ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Как видно из схем, функция ИЛИ реализуется за счет параллельного включения активных (нижних) транзисторов, и функция И – соответственно, за счет последовательного включения. По сравнению со схемами на однотипных (п-канальных) транзисторах КМОП схемы требуют больше транзисторов для реализации логических функций и занимают на кристалле большую площадь за счет создания кармана.
Измерения
|
|
|
|
|
0 |
|
7,5 |
|
0,5 |
|
7,5 |
|
1 |
|
7,5 |
|
1,5 |
|
7,41 |
|
2 |
0,255 |
7,47 |
|
2,5 |
0,589 |
7,44 |
|
3 |
1,023 |
7,39 |
|
3,2 |
1,263 |
7,37 |
|
3,5 |
1,596 |
7,34 |
|
3,7 |
2,17 |
|
|
3,9 |
1,63 |
|
|
4 |
1,554 |
|
|
4,5 |
0,855 |
|
|
5 |
0,402 |
|
|
5,5 |
|
|
|
6 |
|
0 |
|
6,3 |
0 |
0 |
По данным измерений построим зависимости
и
:
Расчет схемы ИЛИ-НЕ с помощью программы схемотехнического анализа PSPICE
