Добавил:

Shilak Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

Предмет:

Электроника

Файл:

Лабраб / 2 / Отчет по 2-ой лабе (3).doc

Скачиваний:

Добавлен:

30.04.2013

Размер:

536.06 Кб

Скачать

☆

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра электроники и электротехники

Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных транзисторно-транзисторных схем.

Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных МОП-транзисторах.

Выполнили:

группа С-41

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 равен нулю, поэтому потенциалы на базах транзисторов и равны нулю и эти транзисторы закрыты. Тогда потенциал на базе равен уровню логической единицы.

С ростом потенциала напряжения на схеме не меняются пока не начнёт открываться транзистор . Тогда появится ток коллектора транзистора и потенциал коллектора получит приращение . Это изменение передаётся через эмиттерный повторитель на выход схемы.

Когда входное напряжение превысит сумму пороговых напряжений транзисторов и , то эти транзисторы откроются и ток базы транзистора резко возрастёт, потенциал коллектора резко уменьшится, а выходное напряжение упадёт.

При выходном напряжении, превышающем напряжение на эмиттерных переходах транзисторов и в режиме насыщения, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным напряжению насыщения транзистора .

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 и в режиме насыщения.

где - входное сопротивление транзистора .

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 .

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. Результаты измерения заносятся в таблицу :

I_вх, мА	U_вх, В	U_вых, В	I_потр, мА
-1,1	0,0086	5,5	12,7
-0,98	0,117	5,5	12,7
-0,9	0,333	5,5	12,7
-0,88	0,551	5,5	12,6
-0,86	0,723	5,5	12,6
-0,83	0,760	5,49	12,6
-0,79	0,865	5,45	12,6
-0,78	0,924	5,40	12,6
-0,67	1,021	5,3	12,6
-0,64	1,056	2,48	23,6
-0,64	1,165	0,76	23,3
0,029	1,292	0,35	22,3
0,042	1,350	0,15	21,8
0,044	1,465	0,0524	14,9
0,045	1,67	0,053	14,9
0,046	2,1	0,053	14,9
0,049	3,2	0,053	14,9
0,051	4,12	0,053	14,9
0,053	5,09	0,053	14,9

Использую полученные результаты построим график зависимости U_вых (U_вх) и I_потр (U_вх) :

мА

ависимость I_вх (U_вх)

Кмоп-схема. Теоретическое введение.

Название КМОП расшифровывается как “комплементарные (взаимо дополняющие)

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 крутизн.

Схема и поперечное сечение КМОП пары представлено на рис. 1.

. а) б)

Рис. 1. 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: п-канального, нижнеге на схеме транзистора (будем называть его

"активным"), и р-канального, верхнего на схеме, "нагрузочного". Пусть Von и Vop -

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 : Ic = β ((Uз -Von)Uc-1/2)

в пологой (пентодной) области : Ic =1/2β(Uз - Von )

где - крутизна транзистора.

а) б)

Рис.2. Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП-

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 парзитных емкостей:

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.

U_вх, В	U_вых, В	I_потр, мкА
0	7,77	0
0,5	7,77	0
1	7,76	0,0032
1,5	7,7	0,055
2	7,74	0,197
2,5	7,71	0,43
3	7,68	0,75
3,5	7,61	1,16
3,7	7,6	1,35
3,9	7,7	1,56
4	1,58	6,9
4,05	0,07	3,06
4,3	0,02	1,3
4,5	0,02	1,02
5	0,02	0,6
5,5	0,02	0,22
6	0,02	0
6,3	0,02	0