уровня U1вых осуществляется благодаря активному выключению транзистора VT7 транзистором VT5. Выходное напряжение определяется как

U1вых = Ес – (IбVT4R3 + UбэVT4 + UбэVT6)

Выходное напряжение низкого уровня U0вых устанавливается транзистором VT7, когда он включен. Этот транзистор включается цепью VT3, R4, когда на входе схемы высокий логический уровень, а транзистор VT2 включен.

2.4.Элементы КМОП логики

2.4.1.Инвертор на комплементарных транзисторах

Схема инвертора (рис.2.10) содержит транзисторы VTn и VTp с каналами соответственно n- и р-типа. В структуре на кремниевой подложке последняя соединяется с общей шиной. Для p-канального транзистора «подложкой» служит n-область кармана, соединяемая с плюсом источника питания.

При UBX = U1 = UИП транзистор VTn открыт, a VTp закрыт. На выходе

получаем UBЫХ = U0 ≈ 0. Если UBХ = U0 = 0, то, наоборот, транзистор VTn закрыт, a VTP открыт и UBЫХ = U1 = UИП.В обоих состояниях ток, потребляемый

от источника питания, практически равен нулю. Предполагается, что выход инвертора соединен со входами аналогичных инверторов-нагрузок. Таким образом, мощность, потребляемая в статическом режиме, практически равна нулю, что является важнейшим преимуществом по сравнению с любыми другими микросхемами.

На рис. 2.11, а показана передаточная характеристика инвертора (сплошная линия). С помощью рис. 2.11, б можно пояснить графический метод ее построения. На нем сплошными линиями изображены стоковые характеристики n-канального транзистора ICn(UВЫХ), а штриховыми – стоковые характеристики p-канального транзистора ICp(UВЫХ) при одних и тех же входных напряжениях UBX3> UBX2> UВХ1> UПОР. Пороговые напряжения для простоты предполагаются одинаковыми для обоих транзисторов. При малых UВХ точки пересечения ВАХ лежат в области I, где n-канальный транзистор работает в режиме насыщения, а p-канальный не насыщен. Это соответствует области I передаточной характеристики на рис. 2.11, а. Когда входное напряжение достигает UВХ2 = U’BX, оба транзистора находятся в режиме насыщения, а выходное напряжение изменяется скачкообразно в пределах области II на рис. 2.11, а, б. При UВХ > U’BX p-канальный транзистор работает в режиме насыщения, а n-канальный не насыщен, чему соответствует область III на передаточной характеристике.

26

На рис. 2.12 показано влияние параметра bn/bp, зависящего от геометрических размеров транзисторов, на передаточную характеристику (UИП = 5 В, |UПОР| = UПОРn= 0,7 В). Между параллельными штриховыми линиями находится область II, проходящая практически вертикально, где оба транзистора работают в режиме насыщения. С ростом bn/bp характеристика смещается влево, помехоустойчивость U0П уменьшается, а U1П увеличивается.

Из-за разной подвижности электронов и дырок (µn/µp = 2,5) для выполнения условия bn/bp = 1 требуется разная ширина каналов транзисторов (Wp/Wn = µn/µp), длина каналов обычно выбирается одинаковой. При этом площадь инвертора не получается минимальной. При одинаковых геометрических размерах транзисторов, обеспечивающих минимальную площадь, получаем bn/bp = µn/µp, что ухудшает форму передаточной характеристики (см. рис. 2.12) и снижает помехоустойчивость U0П (на 20%).

На рис. 2.13 показано изменение передаточной характеристики в зависимости от напряжения питания. Напряжение U’ВХ, соответствующее вертикальному участку (между штриховыми линиями), снижается пропорционально UИП, в то же время протяженность этого участка ( UВЫХ) не

изменяется вплоть до UИ.П.МИН = UПОРn + |UПОРp|, когда характеристика близка к прямоугольной. Помехоустойчивость U0П, U1П изменяется пропорционально

UИП; при UИП = UИ.П.МИН помехоустойчивость U0П = U1П = UПОР (если UПОРn = |UПОРp| = UПОР) независимо от значения bn/bp. Коэффициенты помехоустойчивости UП/UЛ постоянны вплоть до UИ.П.МИН. Таким образом

инвертор может работать в широком интервале напряжений питания (практически UИП=2...15 В) без ухудшения относительной помехоустойчивости, что является существенным достоинством, которым не обладают другие микросхемы. Работоспособность сохраняется и при UИП < UИ.П.МИН (пунктирная линия), пока напряжение питания превышает большую из величин UПОРn или |UПОРp|, но помехоустойчивость мала и работать при таких напряжениях не рекомендуется.

Быстродействие инвертора оценивается средней задержкой = 0,5(t1,0 + t0,1), где времена переходов t1,0, t0,1 при подаче прямоугольного импульса на вход определяются процессами разряда нагрузочной емкости через

n-канальный и заряда ее через р-канальный транзистор.

а временные коэффициенты – формой ВАХ транзисторов.

Если пороговые напряжения составляют (0,l…0,5)UИП, то kT = 1,2...1,6; для грубых оценок можно полагать t1,0T = t0,1T = 1,4. Нагрузочная емкость складывается из суммарной входной емкости нагрузок n(СЗИn + СЗИp), емкости соединительных проводников и выходной емкости инвертора, равной сумме емкостей р-n переходов сток – подложка обоих транзисторов:

28

СН = n(СЗИn +CЗИp ) + nCпров +ССПn +Сpnp

В случае bn = bp, оптимальном с точки зрения помехоустойчивости, получаем t0,1T = t1,0T (при UПОРn = |UПОРp|). Однако значение tзд.ср не является минимальным, так как большая ширина канала транзистора VTp, обусловливает

большие емкости СЗИр, ССПр и общую емкость СН. Минимальное значение tзд.ср

Рис. 2.12. Влияние параметра bn/bp на передаточную характеристику.

29