МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Московский государственный институт электроники и математики
(Технический университет)
Кафедра электроники и электротехники
Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП).
Методические указания к лабораторной работе
МОСКВА 1999
1. Цели работы:
Целями лабораторной работы являются:
-Изучение особенностей режимов работы и параметров интегральных схем с КМОП транзисторами; -Исследование передаточных характеристик КМОП-схем;
-Исследование переходных характеристик схем, характеризующих быстродействие схемы; -Приобретение навыков работы с интегральными схемами;
-Приобретение навыков расчета схем с помощью программы схемотехнического анализа РSPICE.
2. Краткие теоретические сведения.
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. |
|
|
||||
|
Современные |
КМОП-схемы |
устойчиво работают при |
в широком |
диапазоне |
|
питающих напряжений: от 3 до 15 В, что позволяет сопрягать их со схемами другого типа (например, ТТЛ) и с операционными усилителями. Параметры логических схем с КМОПструктурой 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.
Типичным представителем КМОП схем является серия К564, которая содержит в своем составе 60 типов, различных по своему назначению: арифметические устройства, счетчики-делители, дешифраторы, триггеры, мультиплексоры, сдвиговые регистры и пр.
Характеристики ИС К564:
-низкая потребляемая мощность (0.0025 мВт на логический элемент на частоте 1МГц;
-широкий диапазон напряжений питания (3...15В);
-высокая помехоустойчивость - 30...45% от напряжения питания;
-время задержки переключения при напряжении питания 5V и емкости нагрузки 100пФ составляет не более 120 нс.
|
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-1/2Uc2) |
|
(1) |
||||
в пологой (пентодной) области : Ic =1/2β(Uз - Von )2 |
|
|
(2) |
|||
где β - крутизна транзистора.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
б) |
|
|
|
Рис.2. Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП- |
|
|||||||||
КМОП-инвертора от входного напряжения. |
|
|
|
|
|
|||||
Следует |
отметить, |
что транзисторы соединяются стоками вместе, т.е. исток |
п- |
|||||||
канального транзистора имеет потенциал земли, |
а исток р-канального |
- потенциал |
||||||||
источники |
питания. |
Передаточной |
характеристикой |
называется |
зависимость |
|||||
выходного |
|
напряжения |
логического элемента от напряжения на его |
входе. |
На |
|||||
передаточной характеристике можно выделить несколько областей (см. рис. 2). |
|
|
||||||||
1. Входное |
напряжение меньше |
порогового |
напряжения |
Von |
п-канального |
|||||
транзистора. п-канальный |
транзистор закрыт. Напряжение затвор-исток |
р-канального |
||||||||
транзистора |
больше его |
порогового напряжения Voр (по модулю), поэтому он полностью |
||||||||
открыт. Напряжение на выходе равно напряжению питания, потребляемый ток равен нулю.
2. Входное напряжение больше порогового напряжения Von п-канального транзистора, но меньше половины напряжения питания. п-канальный транзистор начинает окрываться и переходит из пологой области характеристик (пентодной) в крутую (триодную). Р-канальный транзистор начинает закрываться и переходит из крутой области характеристик (триодной) в пологую (пентодную). Для нахождения выражения для передаточной характеристики приравняем токи n- и p-канального транзисторов. Ток р- канального транзистора:
Icр=βp((Uвх - Е - Voр)(Uвых - Е) - 1/2(Uвых - Е)2) |
|
(3) |
|||
Ток п-канального транзистора: |
|
|
|
|
|
|
Icn=1/2β(Uвх - Von)2 |
|
|
(4) |
|
Полагая Icр=Icn получим: |
|
|
|
|
|
Uвых=(Uвх-Voр)+ (Uвх-Voр)2 - 2(Uвх-1/2Е-Voр)Е - βn/βp(Uвх-Von)2 |
(3) |
||||
3. В области |
значения |
входного |
напряжения |
равного |
Е/2 передаточная |
характеристика |
идет практически вертикально. При входном напряжении равном Е/2 оба |
||||
транзистора открыты в одинаковой степени, потребляемый ток максимален. |
|
||||
4. Входное |
напряжение больше |
Е/2 и меньше (Е-Vop). |
Картина |
аналогична |
|
(симметрична) участку 2, |
но теперь n- и |
p-канальные транзисторы меняются |
ролями. n- |
||
канальный транзистор в |
крутой области, p-канальный - в пологой. Напряжение на выходе |
||||
уменьшается. |
|
|
|
|
|
Ток n-канального транзистора: |
|
|
|
||
|
Icn=βn((Uвх - Von)Uвых - 1/2*Uвых2) |
|
(4) |
||
Ток p-канального транзистора: |
|
|
|
||
|
|
Icp=1/2*βp(Uвх - E - Vop)2 |
|
(5) |
|
Полагая Icр = Icn, получим: |
|
|
|
|
|
|
Uвых = (Uвх - Von) - (Uвх - Von)2 - βp/βn(Uвх - E - Vop)2 |
(6) |
|
||
5. Входное напряжение больше (Е-Vop) и меньше напряжения питания. п-канальный транзистор полностью открыт, р-канальный - закрыт (его напряжение затвор-исток меньше порогового по модулю). Напряжение на выходе равно 0. При этом потребляемый ток равен нулю, т.к. р-канальный транзистор закрыт.
Отличительной чертой КМОП-схем является то, что на первом и пятом участках схема тока не потребляет (т. к. закрыт, соответственно, п-канальный или р-канальный транзистор). В этом состоянии потребляемая схемой мощность обусловлена только токами уиечки через обратно смещенные переходы сток-подложка, исток-подложка. При комнатной температуре эти токи не превышают долей микроампера и обусловленное им потребление мощности очень мало. Максимум потребляемого тока наблюдается в точке входного напряжения, равного Е/2.
Переходная характеристика КМОП-схем (отклик схемы во времени на входной импульс).
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 осточника 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:
Р дин = f Е2 Сн |
(7) |
где f - частота работы схемы; Е - напряжение питания; Снпаразитная емкость.
Логические элементы на КМОП-транзисторах.
Логические схемы ИЛИ-НЕ и И-НЕ приведены, сответственно, на рисунках 3 и 4. 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.
|
|
|
|
|
|
Рис. 3 Логическая схема ИЛИ-НЕ |
Рис. 4 Логическая схема И-НЕ |
|
на КМОП-транзисторах |
|
на КМОП-транзисторах |
3. Описание стенда.
Работа выполняется на универсальном стенде в лаборатории электроники кафедры Э и Э. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков стенда (рис. 5 ) и внешних дополнительных приборов и устройств: вольтметров, амперметров, генератора импульсов, осциллографа.
Рис. 5. Блок стенда, на котором выполняется работа.
4. Рабочее задание.
1. Снять передаточную характеристику Uвых =f(Uвх) и зависимость потребляемого тока Iпотр от входного напряжения Uвх по схеме, изображенной на рис. 6.
а) б)
Рис.6 . Схема для измерения передаточной (а) и переходной (б) характеристик КМОП-схемы. Напряжение Uвх изменять от 0 до +5 Вольт с шагом не более 0.5 Вольт, в области переключения схемы шаг необходимо делать еще меньше. Измеряются величины:
-величина входного напряжения Uвх;
-величина выходного напряжения Uвых;
- величина потребляемого тока Iпотр.
Особенно внимательно следует снимать зависимость вблизи входного напряжения близкого к половине напряжения питания. В этой области наблюдается резкий рост величины потребляемого тока.
Измерения заносятся в таблицу: Uвх
Uвых
Iпотр
По данным измерений построить зависимости Uвых=f(Uвх) и Iпотр=f(Uвых).
2. Снятие переходных (динамических) характеристик схемы (рис.6 (б)). От генератора импульсов подается сигнал на вход схемы и на один из входов осциллографа. На другой вход осциллографа подается сигнал с выходы исследуемой схемы. Необходимо зарисовать входной и выходной сигналы с обязательным указанием на рисунках масштабов времени и напряжения.
Расчет схемы ИЛИ-НЕ с помощью программы схемотехнического анализа PSPICE.
Закодировать исследуемую схему на входном языке программы PSPICE. Использовать следующие параметры транзисторов:
п-канальный транзистор:
.model N_tr NMOS(level=1 Vto=1 kp=100e-6 W=10u L=10u) p-канальный транзистор:
.model P_tr PMOS(level=1 Vto=-1 kp=100e-6 W=10u L=10u)
Величина нагрузочной емкости - 1пФ.
Рассчитать передаточную характеристику при изменении входного напряжения на входе 1 от 0 до 5 В с шагом 0.1 В. На входе 2 поддерживать уровень логического "0".
Спомощью програм мы PROBE построить зависимость выходного напряжения и потребляемого тока от входного напряжения (два разных графика).
Рассчитать переходную характеристику схемы при подаче на вход импульса: V_in1 ... ... PULSE(0V 5V 1ns 1ns 1ns 50ns 100ns)
(Вместо многоточий необходимо поставить соответствующие узлы подключения источника)
Время счета от 0 до 200нс:
.tran 1ns 200ns
Спомощью программы PROBE построить графики зависимости входного и выходного напряжений от времени. По результатам расчетов определить величины фронтов при переходе схемы из логического "0" в логическую "1" и наоборот. Величины фронтов определяются по уровням
0.1*(Uмакс-Uмин) и 0.9*(Uмакс-Uмин).
Требования к отчету по выполняемой работе.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
-цель лабораторной работы;
-схемы измерений характеристик схемы;
-таблицы экспериментальных данных и графики;
-русунки с экрана осциллографа входных и выходных сигналов схемы;
-описание схемы на входном языке программы PSPICE;
-распечатки графиков передаточной и переходной характеристик, рассчитанных с помощью программы PSPICE;
-величины фронтов переключения схемы по результатам расчетов.
5. Контрольные вопросы.
1.Принцип работы КМОП схемы.
2.Вывод передаточной характеристики КМОП схемы.
3.Как зависит потребляемый схемой ток от входного напряжения?
4.Чем определяется длительность переходных процессов в КМОП - схемах?
5.От чего зависит крутизна МОП - транзистора ?
6. Рекомендуемая литература.
1.Алексенко А.Г., Шагурин И.И., Микросхемотехника, М., Радио
исвязь, 1982.
2.Якубовский С.В., Барканов М.А., Аналоговые и цифровые интегральные схемы, 2-е издание, М., Радио и связь, 1984.
3.Тарабрин В.В., Лукин Л.Ф., Интегральные микросхемы: Справочник, М., Радио и связь, 1983.
4.Разевиг В.Д. Применение программ PCAD и PSPICE для схемотехнического моделирования на ПЭВМ.