Особенности кмдп- схем.

Наиболее широкое применение в схемотехнике ЦИС нашли КМДП ключи.

Такой ключ можно рассматривать как композицию двух простейших ключей:

+U_ИП

Т_р I_p T_p

U_вх U_вых U_вых U_вых

T_n I_n T_n

• U

В пороговой точке передаточной характеристики при

U_ИП  U_{пор п} + U_{пор р},

U_вх = U_вых = U_пер,

Оба транзистора работают в пологой области ВАХ, токи обоих транзисторов равны и противоположны по знаку из-за разного типа носителей в канале. Напряжение переключения U_пер КМДП- инвертора получим из равенства токов:

Величину тока переключения можно найти, подставив полученное выражение в уравнение ВАХ п- или р- канального транзистора.

Мощность, потребляемая КМДП- схемой.

Рассеиваемую схемой простого КМДП- инвертора мощность можно оценить при помощи следующих полуэмпирических соотношений.

P_cтат = U_ИП I_утеч, P_стат/P_динам = 10^-4 – 10^-7 (f = 1 МГц ).

P_дин1 = C _нагрU_ИП²f

P_дин2 = 2U_ИПI_срft:

Изменение выходного сигнала появляется с некоторой задержкой до следующего изменения входного сигнала. Площадь и потребляемая мощность в схемах на КМДП- вентилях в несколько раз меньше, чем в аналогичных биполярных схемах., однако, время задержки примерно в 5 раз выше. Для снижения времени задержки t_зд при выравнивании токов п- и р- канального транзисторов ширину канала р- МДПТ делают в 2-3 раза больше, чем в п- МДПТ. Кроме того, величина напряжения переключения U_nep (пороговая точка активной области) смещается в зависимости от числа входных «0» и «1» в соответствии с приведенной выше формулой для напряжения переключения.

U_вых

     

1 1+2 1+2 1.2 4…1 1+2+3+4

2

     

U_вх U_вх U_вх

2И-НЕ 2ИЛИ-НЕ 4И-НЕ

Недостатки КМДП- схем:

1. // большая площадь;

2. большие времена задержки сигнала;

3. смещение напряжения переключения в зависимости от числа входных переменных.

В результате поиска способов улучшения схемотехнических параметров разработаны схемы с динамическим управлением.

ЭЛЕМЕНТЫ ЦИС С ДИНАМИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Самый распространенный тип динамических схем – проходные или передаточные (аналоговые) КМДП- ключи. В таких ключах логическое состояние удерживается на выходе определенное время на нагрузочной емкости.

Динамические схемы нужны не из-за снижения потребляемой мощности (в КМДП- схемах она и так стремится к 0), а из-за следующих достоинств:

• снижение площади ( в проходных ключах 1 р- МДПТ);

• увеличение быстродействия (в 2 раза!), паразитные емкости только от одной пары транзисторов малой площади;

• нет скачков выходного напряжения 0-1-0-1, т.к. логическое состояние или сохраняется на нагрузочной емкости или понижается, нет «дребезга».

ПРОХОДНЫЕ (передаточные) КЛЮЧИ=ВЕНТИЛИ ПЕРЕДАЧИ=КОММУТАТОРЫ

_ Проходной ключ. Рассмотрим сначала по одному транзистору:



U_вх U_вых

U_З = , U_И = U_вых, при U_ЗИ  U_пор – транзистор закрыт,

 - U_вых  U_пор  U_вых = U_ИП – U_пор.

Для п- канального транзистора при  = U_ИП, U¹_вх= U_ИП стоком служит вход, истоком - выход, когда на истоке будет потенциал

U_И = U_ИП – U_пор,

то есть при U_ЗИ  U_пор - транзистор закрыт.

Таким образом, при передаче высокого потенциала возникает искажение амплитуды «1»: U_maxвых = U¹_вх – U_пор.

При подаче на вход U = «0» исток и сток меняются местами, транзистор открыт и работает в крутой области ВАХ, т.е. информация передается на выход без искажений.

Аналогично для р- канального транзистора, только тактовый сигнал подаем в инверсной форме:



U_вх U_вых

Транзистор открыт, когда тактовый сигнал = 0 В, на выходе сохраняется высокий потенциал при подаче на вход высокого потенциала.

Когда на входе низкий потенциал «0», выходная емкость разряжается через открытый транзистор, но только до потенциала U_вых = U_{nop p} , транзистор закрывается, а это значит, что на выходе не чистый ноль, ноль искажается.

Включив параллельно два транзистора, управляемые парафазным сигналом , получаем схему, в которой установку «1» проводим через р- МДПТ, а «0» - через п- МДПТ, тогда оба состояния передаются без искажений. Необходима только предварительная установка состояния на нагрузочном конденсаторе, иначе может возникнуть неопределенность логического состояния на выходе.

Проходные ключи работают на транзисторах с обратимыми истоком-стоком, складываются два параллельных сопротивления каналов. Логические функции можно строить при помощи монтажных (проводных) соединений И, ИЛИ с учетом направлений токов.

R R

U_вх U_вых п-МДПТ р п

r_

(U_вых – U_порп) U_ип U_вх U_порр (U_вых-U_порп) U_ип U_вх



U _выхmax = U_вых-U_пор .

_фр  0.9

_зд.ср  С_н/k

Недостатки проходного ключа:

• вентили не имеют усиления по мощности,

• необходима предустановка (предзаряд),

• с ростом числа вентилей увеличиваются искажения сигналов.

В схемах базовый проходной ключ обозначается как:

3 p 3

2 4 2 4

1/0 1 n 1

С учетом удерживания состояния на выходе ключа в течение определенного времени, можно записать таблицу состояний:

1	3	2	4
0	0	-	-
0	1	1/0	R
1	0	1/0	1/0
1	1	-	-

R – состояние неопределенности, синфазные состояния на входах не используются. Рабочий режим: тактовый сигнал С (С)  =1 (узел1),   (узел 3), информация со входа (2) передается без искажений на выход (4).

Транзисторы проходного ключа могут иметь минимальные размеры ширины и длины канала ( -квадратненький п- МДПТ), только ширина канала р- МДПТ в 1.5-2 раза больше, чем в п- МДПТ.

В состоянии полностью закрытых транзисторов состояния на узлах 1-3 как во второй строке «0»-«1» выходное сопротивление элемента составляет сотни МегаОм – это так называемое «третье» или Z- состояние логического элемента, часто используемое в сложных логических схемах. Элементы с таким состоянием часто используются в узлах с реализацией монтажных (проводных) функций.

Разновидность ключевого элемента с использованием шин постоянного питания (C²MOS):

U

P 3(C) p

P С

3(C) p 2 4 = С²МОП

2 4

n С

1(C) n

1(C) n

n

Схемное обозначение C²MOS - элемента – такое же, как и у обычного проходного ключа, только на выходе обозначается знак-кружочек инверсии.

Таблица истинности для такого элемента:

1	3	2	4
0	0	0/1	1/R
0	1	0/1	R/R
1	0	0/1	1/0
1	1	0/1	R/0

Как видно из таблицы и из работы схемы, последний ключ реализует передачу информации со входа на выход с инверсией. Потребляемая мощность в динамических элементах: