КР / Методичка Для курсовой

41

Рис. 39. Структура КМОП инвертора

U 0n > 0 пороговое напряжение U 0 p < 0

Рис. 40. Обозначения транзисторов

Как правило, к выходу логической схемы подключается вход такой же логической схемы, поэтому в статике ток в КМОП схеме может течь только через транзисторы (вход следующей схемы – затворы её транзисторов, через них ток не течёт):

когда на выходе логический 0, заперт T2 I пнт = 0 ,

когда на выходе логическая 1, заперт T1 I пнт = 0 . Требования к транзисторам КМОП схем:

1.В КМОП схемах должно соблюдаться равенство по модулю пороговых напряжений n- и p-канальных транзисторов

2.Необходимо равенство удельной крутизны n- и p-канальных транзисторов, из-за чего отношение ширины n- и p-канальных транзисторов пропорционально отношению подвижности электронов и дырок (при равной длине канала).

42

Схема ИЛИ-НЕ

U x1 = U 0

U x 2 = U 0

T1| и T1|| оба заперты

T |2 и T ||2 оба открыты

U вых = U | ≈ E

Рис. 41. Схема ИЛИ-НЕ

Схема И-НЕ

T1| и T1|| оба открыты

T |2 и T ||2 оба заперты

U вых = U 0 ≈ 0

Рис. 42. Схема И-НЕ

43

Рис. 43. Сечение структуры

Рис. 44. Сечение структуры

Рис. 45. Сечение структуры

44

Рис. 46. Топология схемы И-НЕ

Проектирование КМОП схем. Рекомендуется длину канала транзисторов обоих типов выбрать равной двум минимальным размерам, ширину канала n-канального транзистора выбрать в 3 раза больше длины (6 минимальных размеров), тогда ширина канала p- канального транзистора будет в 3 раза больше ширины канала n-канального(18 минимальных размеров). Размеры областей стока и истока определяются шириной канала и условиями размещения контактов: контакт занимает всю площадь стока и истока, отступая от их краев на минимальный размер, ширина контакта не может быть меньше минимального размера. Когда геометрические размеры выбраны, делается расчет параметров транзисторов по формулам, приведенным выше, а после этого – расчет схемы с помощью программы PSPICE. Исходя из анализа результатов расчета схемы делаются изменения в размерах транзисторов.

45

2.4.Логические схемы на арсениде галлия.

Внастоящее время наибольшее распространение получили три типа логических винтелей для быстродействующих ИС на GaAs.

1)Логический вентиль с буферным каскадом (ЛБК), разработанный фирмой

Hewlett Packard является наиболее быстродействующим t3=33 пс/вент, однако потребляет достаточно большую мощность S-10 мВт/вент. +EC=+4.5 B, -EП=-3 B, U1=+0.5 B, U0=-2 B.

Рис. 47. Вентиль ЛБК.

В ЛБК применяют нормально открытые полевые транзисторы, поэтому для согласования входных и выходных уровней напряжения требуется введение в схему дополнительных элементов для сдвига уровней. Эти элементы неизбежно вносят дополнительную задержку сигнала и расход мощности. Из-за высокой потребляемой мощности и большого количества элементов на ЛБК возможно создание БИС со степенью интеграции до 103 вент.

Схемные варианты ЛБК.

Рис. 48. Вентиль ЛБК без истокового повторителя.

46

C целью снижения уровня потребляемой мощности исключен истоковый повторитель. Однако, уменьшается коэффициент разветвления по выходу: Kвых=2. Этот вентиль чаще всего применяется для построения триггерных схем.

Для увеличения быстродействия в схему введён диод ДУСК, выполняющий функцию ускоряющего конденсатора. Обратно смещенный диод действует как ёмкость и шунтирует при переключении буферный каскад сдвига уровня, что резко повышает быстродействие. Однако для эффективной работы площадь диода должна быть большой, чтобы получить требуемую величину ёмкости.

Рис. 49. Вентиль ЛБК с ускоряющим диодом.

2) Логические вентили на основе ПТШ с диодами Шотки (ЛДШ), созданные фирмой Rockwell. Потребляют в 5 раз меньшую мощность, но имеют в 2 раза худшее быстродействие. Содержит миниатюрные ДШ размером (1*2мкм2) для выполнения логических операций ИЛИ и для сдвига уровней сигнала. Функцию инвертора в ЛДШ выполняет второй каскад на нормально открытые полевые транзисторы с затворами Шотки. Благодаря небольшой потребляемой мощности и малым размерам диодов на этих схемах можно создавать БИС с плотностью интеграции 104 вентилей. +EC=+2 B, -EП=-1.5 B.

Рис. 50. Вентиль ЛДШ.

47

3) Логические вентили с непосредственными связями (ЛНС), разработанные фирмой McDounell Douglas. Реализованы на НЗ ПТ с р-n переходом. Характеризуется самой низкой величиной потребляемой мощности Pпотр=50 мкВт/вент, t3 в 2-4 раза больше чем у ЛБК. Занимает очень малую площадь на кристалле – 200 мкм2/вент. Для надёжной работы требуется, чтобы Ес не превышало 1В. Очень критичны к значению Uпор.

+EC=+1...+2 B.

Рис. 51. Вентиль ЛНС.

Компромиссный вариант вентилей между ЛНС и ЛБК.

Средняя скорость переключения, средняя потребляемая мощность. Uпор=0В, но требования к этому параметру значительно понижены по сравнению с ЛНС. +EC=+2.5 B.

Рис. 52. Вентиль ЛНС с истоковым повторителем.

3. Расчет схем в программе PSpice

3.1. Краткие сведения

Программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) (на компью-

терах IBM PC используется PSPICE) является программой моделирования электронных схем. С ее помощью можно рассчитывать режимы схем по постоянному току, частотные, переходные и шумовые характеристики, анализировать влияние температуры.

48

Файл с информацией для программы SPICE является текстовым и содержит описание схемы и указание на вид выполняемого анализа. Файл имеет расширение .CIR. Для создания этого файла можно использовать любой текстовый редактор. Результаты работы программы выводятся в текстовый файл с расширением .OUT и в файл для графического постпроцессора PROBE (расширение .DAT)

Для просмотра рассчитанных зависимостей в виде кривых используется программа постпроцессорной обработки PROBE. Особенности вывода информации для программы PROBE будут описаны в дальнейшем.

Создание входного файла для программы PSPICE

Таблица 3. Особенности входного файла для PSpice

Первая строка файла является комментарием и может содержать любую информацию. Рекомендуется в первой строке помещать название схемы. Последняя строка должна содержать оператор .END, говорящий о конце задания.

Строки комментариев начинаются со звездочки '*'в первой позиции и могут содержать любой текст.

Строки продолжения (продолжение оператора на следующих строках) начинаются с символа '+' (плюс) в первой позиции.

Количество пробелов между кусками текста не регламентируется. Пример: две строки эквивалентны:

Большие и малые буквы в тексте не различаются.

В программе используются следующие символы для указания кратности:

По умолчанию все величины в схеме предполагаются в единицах СИ: А - ампер, V - вольт, Ohm - ом, F – Фарада, sec - секунда, m - метр, и т.д.

При трансляции единиц измерений PSPICE отдает предпочтение символам указания кратности перед названиями единиц, поэтому, например, в описании емкости

C 1 2 10f

номинал ее будет интерпретироваться как 10 фемтофарад, а не 10 фарад.

Описание элементов схемы

Формат описания элемента: <Имя> <Узлы подключения> <Параметры>

Первая буква в имени элемента означает тип элемента. Используются следующие обозначения основных элементов (в алфавитном порядке):

Таблица 4. Обозначения элементов

Для диодов и транзисторов, кроме узлов подключения, необходимо описывать их модели (описание того, что из себя представляет данный элемент, его набор параметров). (Описание дополнительных элементов схемы, таких как управляемые источники тока и напряжения, ключи, операционные усилители и макромодели см. в подробном описании программы PSPICE).

Следующие символы в имени элемента могут быть буквами или цифрами (до 7 символов). Например, резисторы R1, Rload, емкость С10. После имени элемента через один или несколько пробелов идут узлы подключения элемента, разделенные пробелами,

ипараметры элемента (или его номинал). Узлы схемы могут иметь произвольные номера.

Всхеме всегда должен быть узел "Земля", который обозначается "0".

Рассмотрим конкретные элементы схемы.

Конденсатор: Пусть конденсатор С1 включен между 1 и 2 узлами схемы и имеет емкость 10 пикофарад, тогда его обозначение запишется:

С1 1 2 10рF

Величину емкости в микрофарадах указывают с помощью символа "U". Конденсатор С2 с емкостью 1 мкФ :

С2 11 15 1UF

Резистор (сопротивление): Резистор R9 имеющий сопротивление 100 Ом включенный между 10 и 20 узлами:

R9 10 20 100

Величину сопротивления можно указывать в омах (в этом случае записывается просто величина):

R2 11 21 50

килоомах (после величины добавляется "k"):

R3 12 22 10k

50

мегаомах (добавляется "MEG"):

R4 13 23 1MEG

Индуктивность: Индуктивность L9 включена между узлами 14 и 15, имеет номинал 1 Генри:

L9 14 15 1Н

индуктивность 10 миллигенри:

L9 14 15 10mH

индуктивность 100 микрогенри:

L9 14 15 100UH

Для указанных элементов порядок перечисления узлов безразличен (эти элементы не имеют полярности)

Описания источников напряжения

Источники постоянного напряжения (источники питания): название начинается с символа "V", далее идут узлы подключения, и величина в вольтах:

V1 4 5 15V

Эта запись означает, что потенциал 4 узла по отношению к 5-му составляет +15 В.

V2 6 7 -15V

Эта запись означает, что потенциал 6 узла по отношению к 7-му составляет -15 В. Если один из выводов источника подключен к земле, то в качестве этого узла под-

ключения указывается "0":

V3 8 0 5V

Источники переменного (синусоидального) напряжения. Как и в предыдущем случае, название начинается с символа "V", далее идут узлы подключения, величина постоянной составляющей в вольтах, амплитуда переменного сигнала в вольтах. Такое описание

используется при расчете частотных режимов схемы.

Пример. Источник синусоидального сигнала с амплитудой 1В, включенный между узлом 1 и землей (0):

Vsin 1 0 DC 0V AC 1V

после DC идет постоянная составляющая сигнала (В), после AC - амплитуда сину-

соидальной составляющей сигнала (B). Частота задается при описании режима расчета.

Источник напряжения импульсной формы. Название начинается с символа "V", далее идут узлы подключения, и описание импульсной функции. Импульсная функция описывается с помощью параметров: