- •1. Основы микросхемотехники ИС
- •1.1. Основные термины и определения
- •1.2. Этапы и направления развития ИС
- •1.3. Классификация ИС
- •1.3.4. Классификация по степени интеграции
- •1.4. Последовательность разработки ИС
- •2. Основы цифровой техники
- •2.3. Основные логические операции
- •2.4. Формы представления логической функции
- •2.5. Структурное проектирование цифровых схем комбинационного типа
- •3. Основные параметры и характеристики ЦИС
- •3.1. Основные параметры ЦИС
- •3.2. Характеристики ЦИС
- •3.3. Определение измеряемых параметров по характеристикам
- •4.1. Формирование биполярных транзисторов
- •4.3. Эквивалентная модель интегрального n–p–n биполярного транзистора
- •4.4. Режимы работы биполярного транзистора
- •4.6. Статические ВАХ транзистора
- •5. Диоды в интегральных схемах
- •5.1. Модель идеального диода
- •5.2. Эквивалентная схема интегрального диода
- •5.3. Аппроксимации ВАХ диода
- •5.4. Варианты реализации интегральных диодов
- •6. Пассивные элементы ИС
- •6.1. Основные параметры резисторов
- •6.2. Реализация интегральных резисторов
- •6.4. Реализация интегральных конденсаторов
- •7. Элементная база статических ЦИС на биполярных транзисторах
- •7.1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)
- •7.1.1. Характеристики РТЛ
- •7.2. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
- •7.2.1. Принцип работы
- •7.2.2. Входная характеристика
- •7.2.3. Передаточная характеристика
- •7.2.4. Выходная характеристика
- •7.2.6. Многоярусные ЭСЛ (МяЭСЛ)
- •7.3. Диодно-транзисторная логика
- •7.3.1. Расчет передаточной и входной характеристик
- •7.3.2. Выходная характеристика
- •7.3.3. Влияние нагрузки на логические уровни
- •7.4. Транзисторно-транзисторная логика
- •7.4.1. ТТЛ-элемент с простым инвертором
- •7.4.2. Передаточная характеристика
- •7.4.3. Входная характеристика
- •7.4.4. Выходная характеристика
- •7.4.6. Основные параметры
- •7.4.7. Многоэмиттерный транзистор
- •7.4.8. ТТЛ-элемент со сложным выходным каскадом
- •7.4.9. Модификация логического элемента
- •7.5. Интегральная инжекционная логика
- •7.5.2. Реализация логических функций
- •8. Полевые транзисторы
- •8.1. Типы полевых транзисторов
- •8.2. Определение физических параметров
- •8.3. модель полевого транзистора
- •8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора
- •9. Элементная база на полевых транзисторах
- •9.2. Передаточная характеристика и параметры инвертора с линейной нагрузкой
- •9.3. Передаточная характеристика и параметры инвертора с нелинейной нагрузкой
- •9.4. Передаточная характеристика и параметры инвертора с квазилинейной нагрузкой
- •9.5. Передаточная характеристика и параметры инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
- •9.6. Передаточная характеристика и параметры комплементарного инвертора
- •9.8. Логические элементы на МОП-транзисторах
- •9.9. Определение эквивалентной крутизны группы переключающих транзисторов
- •9.11. Влияние параметров транзисторов на характеристики логического элемента
- •9.12. Сопряжение ТТЛ- и КМОП-схем
UВЫХ ≈ |
KНUИП[2(UЗ −UПОР0 |
) −UИП (1+ η)] |
||
|
|
|
. |
|
|
|
|
||
|
2K0UВХ |
|||
На этом участке характер зависимости линейно- |
||||
гиперболический. |
|
|
|
|
Основные параметры: |
|
|
|
|
U1 = UИП; |
KН[2(UЗ −UПОР0 ) −UИП (1+ η)] |
|
|
|
U 0 ≈ |
|
|||
|
2K0 |
. |
|
|
9.5. Передаточная характеристика и параметры инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
На рис.9.15 приведена электрическая схема инвертора с токостабилизирующей нагрузкой.
MН
M0
UВХ
UИП
IН ~ f (UВЫХ)
UВЫХ
IС0 ~ f (UВХ,UВЫХ)
Рис.9.15. Электрическая схема инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
Распишем напряжения на транзисторах.
179
UСИ = UВЫХ ,
UЗИ = UВХ, UПИ = 0 ,
Для М0 → UПОР = UПОР0 .
UСИ = UИП − UВЫХ , UЗИ = 0 ,
Для МН → UПОР = UОТС .
В инверторе с токостабили-зирующей нагрузкой транзистор МН со встроенным каналом, т.е. его пороговое напряжение меньше нуля. При UЗИ = 0 транзистор МН находится в открытом состоянии (см. рис.9.6). Ток, протекающий через нагрузочный тран-
зистор, зависит от напряжения UСИ (UВЫХ), которое |
определяет |
|||||||||||||
режим работы транзистора (крутая или пологая область). |
|
|
|
|||||||||||
На рис.9.16 приведены совместная ВАХ и передаточная ха- |
||||||||||||||
рактеристики инвертора с токостабилизирующей нагрузкой. |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ = |
UВХ + UОТС |
|
|||||
IC0,IН |
|
UВХ1 |
UВЫХ |
A |
|
1+η |
0 |
|||||||
|
|
|
1 |
B |
C |
|
UВЫХ= UВХ |
|||||||
IН |
E |
C IC0 |
UВЫХ |
|
P1 |
|
P |
|
|
UВЫХ = UВХ −UПОР0 |
||||
|
D |
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
1+ η |
|
|
|
A,B U |
UВЫХ0 |
|
|
|
D |
|
|
E(P0) |
UВХ |
|
|
|
UВЫХ0 |
UВЫХ D |
ВЫХ |
U0 |
|
UВХ |
|
UВХ |
U |
UВХ1 |
= UВХ |
|
|||
UВЫХ C UВЫХ1 |
|
B |
E |
|||||||||||
|
а |
|
ВХ |
|
|
С |
|
ВХD |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.9.16. Характеристики инвертора с токостабилизирующей нагрузкой: а - совместная ВАХ; б - передаточная
Участок АВ → 0 < UВХ < UВХB .
М0 работает в режиме отсечки, МН - в крутой области.
180
Исходя из режимов работы и условия равенства токов, распишем систему уравнений и определим выходное напряжение.
ìIC0 = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ï |
é |
(U |
|
-U |
|
)(-U |
|
) |
|
(U |
|
-U |
|
)2 ù |
|
ï |
ИП |
ВЫХ |
ОТС |
|
ИП |
ВЫХ |
|||||||||
íIН |
= KН (1+ h)ê |
|
|
|
|
- |
|
|
|
ú; |
|||||
|
|
1+ h |
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||
ï |
ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
ú |
|||||
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
||
ï |
= IН ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
îIC0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ = U1ВЫХ = UИП .
Граничное условие: в точке В транзистор М0 переходит из режима отсечки в режим пологой области, т.е. UВХB = UПОР0 .
Участок BC → UВХB < UВХ < UВХC .
М0 работает в режиме пологой области, МН - в крутой облас-
ти.
ì |
|
|
|
|
|
K |
0 |
|
|
|
(UЗИ |
-UПОР |
0 |
)2 |
|
|
|
K |
0 |
|
|
(UВХ |
-UПОР |
0 |
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
ï IC0 |
|
= |
|
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
2 |
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
é |
(U |
|
|
|
-U |
|
|
|
|
)(-U |
|
|
|
) |
|
|
|
(U |
|
|
-U |
|
|
) |
2 ù |
|
|
|||||||||||||||
í |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИП |
ВЫХ |
ОТС |
|
|
|
ИП |
ВЫХ |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ï IН |
= KН (1+ h)ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
ú |
; |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ú |
|
|
||||||||||
I |
|
|
= |
I |
|
|
. |
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
||||||||
ï |
C0 |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
î |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
K |
0 |
|
× |
(UВХ -UПОР |
0 |
)2 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
= KН (1+ h) × |
é(U |
ИП |
-U |
ВЫХ |
)(-U |
ОТС |
) |
- |
(U |
ИП |
-U |
ВЫХ |
)2 ù |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ú |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ú |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
|
UВХ = UПОР0 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
é2 (-U |
ОТС |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ù |
|
|
|
||||||||||||
+ (1+ h) × |
|
|
|
|
|
|
(UИП -UВЫХ )ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- (UИП -UВЫХ )ú . |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
+ h) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|||||||||||
(9.10) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
181
На участке ВС передаточная характеристика имеет квадратичную зависимость.
Граничное условие: в точке С транзистор МН переходит из режима крутой в режим пологой области:
UСИ = U ЗИ − U ПОР
1 + h
или
UИП -UВЫХ = -UОТС ,
С1+ h
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
ВЫХС |
= U |
ИП |
+ |
|
UОТС |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ h |
|
(9.11) |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решив совместно уравнения (9.10) и (9.11), получим: |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
UВХС |
|
= UПОР0 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
é |
2 (-U |
ОТС |
) |
|
|
|
|
ù |
|
|||||||||||
+ (1+ h) |
|
|
|
|
|
|
(UИП -UВЫХС )ê |
|
|
|
|
|
|
|
- (UИП |
|
-U |
ВЫХС )ú |
, |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
||||||||||||
U |
ВЫХС |
|
= U |
ИП |
+ |
UОТС |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
U |
ВХС |
|
= U |
ПОР0 |
-U |
ОТС |
|
K |
Н |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Участок CD → UВХC < UВХ < UВХD . |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
М0 и МН работают в режиме пологой области. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ì |
|
|
|
|
|
K |
0 |
|
|
|
|
|
(U |
ЗИ -UПОР |
0 |
)2 |
|
|
|
|
K |
0 |
|
(UВХ |
-UПОР |
0 |
)2 |
|
|
|
||||||||||||
ï I |
C0 |
= |
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
; |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
ï |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
ï |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
í |
|
|
|
|
|
KН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ï |
|
IН |
= |
|
UОТС |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
ï |
|
I |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
. |
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ï |
|
C0 |
= I |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
î |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
182
K |
0 |
× |
|
(UВХ -UПОР |
0 |
)2 |
= |
K |
Н |
(U |
ОТС |
)2 |
, |
||||||
2 |
|
|
|
|
(1+ h) |
|
|
|
|
2 |
1+ h |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
U |
ВХ |
= U |
ПОР0 |
-U |
ОТС |
|
KН |
. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K0 |
|
(9.12) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Получили вертикальную прямую на передаточной характе-
ристике. При этом выходное напряжение изменяется от UВЫХС
до UВЫХD .
Граничное условие: в точке D транзистор М0 переходит из режима пологой области в режим крутой области:
UСИ = UЗИ -UПОР
1+ h
или
UВЫХD |
= |
UВХ |
D |
-U |
ПОР |
0 |
. |
||||
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
После подстановки этого условия в уравнение (9.12) полу- |
|||||||||||
чим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-U |
ОТС |
KН |
|
|
|
||
UВЫХD |
= |
K0 |
|
. |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
1+ h |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C одной стороны точка переключения РП принадлежит участку CD, а с другой стороны в этой точке
UВЫХ = UВХ = UП = UПОР0 |
−UОТС |
|
KН |
|
|
K0 . |
|||||
|
|
|
|||
Участок DE → UВХD < UВХ < U ВХE .
М0 работает в режиме крутой области, МН - в режиме пологой области:
183