3.2.3 Логический инвертор с пассивной нагрузкой мдп

Логический инвертор на транзисторах с каналами одного типа прово-димости изображен на рисунке 3.16. Транзистор VTа выполняет функцию переключающего активного транзистора. Функцию нагрузочного резистора выполняет нагрузочный транзистор VTн. Пороговые напряжения активного и нагрузочного транзисторов полагаются одинаковыми по знаку и равными по величине.

В инверторах Ез = Ес, как показано на рисунке, либо Ез – Uо > Ес. При Ез = Ес максимальное выходное напряжение равно Ес – Uо, так как VTа закрыт, а VTн всегда работает на пологом участке характеристики и через него течет обратный ток транзистора VTа. При Ез – Uo > Ес транзистор VTн работает — в крутой области ВАХ и максимальное выходное напряжение равно Ес. Обеспечение малого выходного напряжения, соответствующего лог. 0 (на входе высокое напряжение, соответствующее лог. 1), требует, чтобы в открытом состоянии сопротивление VTн было существенно больше сопротивления VTа, т.е. ba >> bн.

Если Ез = Ес (транзистор VTн работает на пологом участке ВАХ), передаточная характеристика инвертора разделяется на две области: Uвых > (Uвх – Uо) и Uвых < Uвх – Uo. В первой области оба транзистора работают на пологом участке ВАХ. Вследствие равенства токов транзисторов VTн и VTа,

ba×(Uвх–Uo)²/2 = bн×(Ec–Uвых –Uo)²/2.

Это равенство удобно преобразовать к нормированной форме вида

Ввых = 1– Ввх√m, (3.9)

где значения m, B, B определяются по выражениям

ba/bн =Zкa×Lкн/(Zкн×Lкa) = m, (3.10)

Ввых = Uвых/(Ес–Uо), Ввх = (Uвх –Uo)/(Ес–Uo).

Во второй области на полoгом участке ВАХ работает только транзистор VTн. Условие равенства токов транзисторов

bа[(Uвх–Uо) ×Uвых–U² вых/2] = b_Н (Ec–Uвых–Uo)²/2

с учетом принятых обозначений преобразуется к нормированной форме вида

Bвых=[1+m×Bвх–√(1+m×Bвх)²–1–m]/(1+m). (3.11)

На рисунке. 3.17 представлено семейство дополненных плавным соединением зависимостей, соответствующих соотношениям (3.9) и (3.11). По рисунку видно, что для снижения выходного напряжения Uвых необходимо увеличивать т. При заданном значении Ввх требуемое значение Ввых, соответствующее лог. 0 (Ввых минимально), обеспечивается выбором m = (10–40). Вариант, когда Eз=Е_С, имеет наибольшее распространение.

Если же Ез – Uo > Е_С (при этoм VTн всегда работает в крутой области ВАХ), можно — получить выражения, аналогичные (3.9) и (3.11).

При Uвых ≥ (Uвх–Uo)

(1 –Ввых1)× (1–KВвых1) =m×K×Bвх1.

Аналогично при Uвых>(Uвх–Uo)

(1 –Ввых1) (1–K×Ввых1) =m×K× [Bвых1× (2×Bвых1–Bвх1)],

где Ввых1=Uвых/Ес; Bвх1=(Uвх –Uo)/Ес; K=Ес/[2×(Ез–Uo)–Ес).

Важными параметрами инвертора являются потребляемая мощность и быстродействие. Инвертор на одноканальных транзисторах потребляет энергию, когда открыты оба транзистора и на выходе низкий потенциал U⁰. Полагая Uвых ≈ 0 и режим работы VTн на пологом участке ВАХ, рассеиваемую мощность можно оценить по формуле

Р=bн×Ec×(Ec–Uo)² /2.

Среднее значение мощности составляет половину от определяемой по приведенному выражению величины

Рср=bн×Ec× (Ec–Uo)² /4.

Быстродействие МДП-инвертора в основном определяется временем перезаряда суммарной емкости Сс, подключенной к стоку активного (истоку нагрузочного транзистора). Величина емкости Сс определяется по рисунку 3.18 в предположении, что инвертор нагружен на аналогичный инвертор. Из рисунка следует, что

Сс ≈ Сзин + Сипн +Ссп +

+Сп + Сзи + Сзп +(√m+1)Сзс,

где Сзин, Сипн — емкости «затвор — исток» и «исток — подложка» нагрузочного транзистора;

Сип, Сзи, Сзп, Сзс — емкости «сток — подложка», «затвор — исток», «затвор — подложка», «затвор — сток» активного транзистора;

Сп — паразитная емкость монтажных соединений;

(√m+1) — коэффициент умножения емкости, определяемый усилением инвертора по напряжению в области переключения.

Емкости Сип, Ссп — это барьерные емкости переходов. Емкости Сзп, Сзин, Сзи, Сзс — это соответственно МДП-емкость затвора и емкости транзисторов, образуемые перекрытием затвора электродных областей стока и истока.

Длительность фронта переключения определяется зарядом емкости Сс через нагрузочный транзистор и определяется по формуле

Тф ≈18×Сс/[bн× (Ес–Uo)]. (3.12)

Средняя энергия переключения инвертора при задержке Тз=Тф/2 составляет

Аср=РсрТз= 2,3×Ес×Сс× (Ес–Uo). (3.13)

Для уменьшения Аср необходимо уменьшать емкость Сс и напряжение питания (для чего необходимо снижать пороговое напряжение), т.е. уменьшать геометрические размеры транзистора и, что немаловажно, емкость Сзс, влияние которой определяется коэффициентом (√m+1). Для уменьшения Сзс целесообразно использовать МДП-транзисторы с самосовмещенной конструкцией затвора.

Минимальные геометрические размеры инвертора существенно зависят от минимально возможных значений размеров каналов (Zi, Li) Величина Li ограничена расширением слоя пространственного заряда в области канала, и при максимальной ширине слоя пространственного заряда минимальная длина канала Lmin определяется по выражению

Lmin ≥ √[2× ε_п×│Uo│/(q×N)]. (3.14)

Значение Lmin зависит от концентрации примесей в полупроводниковой пластине N и порогового напряжения Uо. Минимальная длина канала по фотошаблону с учетом технологических глубин d залегания переходов стока и истока Lmin1 = (Lmin + 2d) ≥ ≥ (3–5) мкм. Так как параметр m > 5, то ширина канала активного транзистора в несколько раз превышает его длину, тогда как длина канала нагрузочного транзистора аналогично в несколько раз превосходит его ширину. Для обеспечения технологической воспроизводимости выходных напряжений инвертора выбор минимальных размеров длины канала активного и ширины канала нагрузочного транзисторов согласуется с допустимой погрешностью исполнения этих размеров. Длину канала нагрузочного и ширину канала активного транзисторов далее можно определить при выбранном значении параметра m. Одним из критериев рационализации выбора размеров транзисторов инвертора является критерий минимизации суммарной занимаемой транзисторами инвертора площади. Суммарная площадь транзисторов инвертора в первом приближении представляется выражением следующего вида

Ss = Sa+Sн ≈ ZкaLкa +Zкн×Lкн = Zкн×(m×L²ка/Lкн +Lкн),

из которого следует возможность минимизации площади и соответственно суммарной емкости топологии инвертора рациональным выбором размера Lкн. При прочих равных условиях минимум занимаемой площади и емкости достигается при выполнении следующих размерных отношений:

Lкн = Lка×√m,

Zка = Zкн×√m.

По выбранным значениям Lка и m определяется длина Lкн и минимальная площадь инвертора

Ss = 2×Zкн×Lка×√m.

Подстановкой минимально допустимых размеров Lка и Zкн определяются оставшиеся значения размеров транзисторов. Приведенные соотношения между размерами должны сохраняться независимо от рабочих токов активного транзистора.

На рисунке 3.19 приведена топология инвертора, схема которого изображена на рисунке 3.16 на транзисторах одного типа проводимости при Ес=Ез. Непрерывными линиями показаны границы диффузионных областей истока и стока; штриховыми — границы тонкого окисла. При Ез = Ес соответствующие шины объединяются. Как видно из рисунка, сток транзистора VTа и исток транзистора VTн объединены в одну область.