5.10 Кмдп ‑ логика (кмоп – логика)

КМДП логика (рис. 5.21) строится на МДП транзисторах с индицированным каналом. Основной их элемент – ключ.

Т _р – нагрузочный транзистор с каналом р-типа

Т_n – усилительный транзистор с каналом n-типа

Рассмотрим режимы работы ключа.

Первый режим: U_ВХ =U⁰ = 0,

в этом случае U_ЗИn = 0

U_ЗИр = 0 – Е_С = ‑ Е_С,

Е_С по величине больше U_пор

| U_ЗИр| > |U_{пор p}|

Тогда в этом режиме n-канальный транзистор закрыт, а р-канальный транзистор – открыт. На выходе получается логическая «1»:

U_ВЫХ = U¹ = Е_С

Схему можно представить таким образом, как изображена на рис. 5.22.

Второй режим работы ключа: U_ВХ =U¹ = Е_С, тогда

U _ЗИn = Е_С > U_{пор n}

U_ЗИр = Е_С ‑ Е_С = 0

Тогда в этом режиме n-канальный транзистор открыт и насыщен, а р-канальный транзистор – закрыт. На выходе получается логический «0»:

U_ВЫХ = U⁰ = 0

Схему можно представить таким образом, как изображена на рис. 5.23.

Для получения логического элемента И-НЕ n-канальные транзисторы соединяются последовательно, а р-канальные транзисторы – параллельно. Число транзисторов равно числу входов. В этом случае логический перепад максимальный и равен напряжению питания.

Достоинства ЭСЛ:

1 Высокая помехоустойчивость, теоретически равна Е_пит/2.

2 Очень малая потребляемая мощность в статическом режиме, то есть всегда один из транзисторов закрыт. Мощность потребляется в динамическом режиме.

3 ЭСЛ способна работать в широком интервале напряжения питания и в широком диапазоне изменения температур.

Однако задержка распространения сигнала более высокая.

5.13 Цифро-аналоговый преобразователь

5.13.1 Виды цап

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) применятся для преобразования цифровых сигналов в аналоговые.

По способу формирования выходного напряжения ЦАП делятся на:

- ЦАП с суммированием токов;

- ЦАП с суммированием напряжения;

- ЦАП с делением напряжения.

В интегральном исполнении наибольшее применение получили схемы суммирования токов. Например, схема с резистивной матрицей двоично взвешенных резисторов (рис. 5.29).

(а₀, а₁, а_i, …а_N-1) – цифровое входное слово, которое управляет ключами и осуществляет подключение резисторов матрицы или к общей шине, или к шине опорного напряжения.

Суммирующий элемент выполнен на операционном усилителе. Каждый i-сигнал управляет своим переключателем и обеспечивает подключение резистора с номером i и с номиналом 2ⁱR или к общей шине, или же к источнику опорного напряжения.

В идеальном случае сопротивление ключей равно нулю, тогда, если все а_i = 0, то выходное напряжение равно нулю. Если все а_i = 1 при i = 0…N-1, то напряжение на выходе максимально и равно

U_ВЫХ = .

В общем случае

U_ВЫХ= - I_Σ R_OC.

В реальных ЦАП сопротивление переключателей не равно нулю и включено последовательно резисторам. Сопротивление ключей влияет на точность работы схемы. Особенно старших разрядов ЦАП, имеющих малое значение сопротивления резисторов. Для уменьшения влияния сопротивления ключей их размеры увеличивают, так как ключи обычно изготавливаются на полевых или биполярных транзисторах по интегральной технологии. Второй недостаток схемы – это большой разброс сопротивлений матрицы. Например, сопротивление старшего разряда 10 Ом, в двенадцатиразрядном ЦАП сопротивление самого младшего разряда будет 20 кОм.

Одновременно изготовить все эти резисторы при одних и тех же технологических операциях невозможно. Это приводит к нарушению согласования температурных коэффициентов сопротивления.

Ч тобы устранить эти недостатки применяют другую матрицу – R-2R (рис. 5.30). Такую матрицу имеют микросхемы типа К572ПА1.

В зависимости от состояния логического сигнала, подаваемого на входы, на резисторы матрицы подается 0 или U_ОП. В результате опорный сигнал и выходное напряжение будут иметь такой же вид, что и в схеме с резистивной матрицей двоично взвешенных резисторов.

Назначение ОУ – переход от тока к напряжению с целью стабилизации параметров ЦАП, сопротивление обратной связи, матрица, ключи выполняются в составе БИС. Основным источником погрешности также является сопротивление ключей. Это влияние можно уменьшить, увеличивая площадь ключей. Но в этом случае возрастает паразитная емкость ЦАП и снижается быстродействие.

К микросхемам ЦАП с ключами на биполярных транзисторах относятся К1108ПА1(2), К1118ПА1(2), К594ПА1(2).

К микросхемам ЦАП с ключами на МДП транзисторах относятся К572ПА1(2).

5.13.2 Основные характеристики и параметры ЦАП

Переходная характеристика в идеальном виде представлена на рис. 5.31.

Аналитическое выражение, связывающее аналоговый и цифровой сигнал:

x (ti) = N(ti) x  x,

где x (ti) – цифровой сигнал,

N(ti) – аналоговый сигнал,

x – шаг квантования,

x – погрешность преобразования.

Основные параметры ЦАП:

• Разрядность N.

• Разрешающая способность или шаг квантования – это значение выходного сигнала (U_ВЫХ), соответствующее разнице между двумя уровнями при подаче смежных входных цифровых слов:

х = U_ОП / 2^N-1

• Точность преобразования – это суммарное отклонение выходного сигнала от своего идеального значения для данной кодовой комбинации. Точность зависит от погрешности узлов самого ЦАП.

• Напряжение смещения нуля – это выходное напряжение ЦАП при нулевом входном сигнале.

• Погрешность коэффициента передачи – это смещение выходного напряжения ЦАП относительно опорного в конечной точке преобразования.

• Интегральная нелинельность передаточной характеристики – это максимальное отклонение реальной передаточной характеристики от идеальной.

• Диффузионная нелинейность передаточной характеристики – это максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной, которое наблюдается в соседних кодовых комбинациях.

• Время преобразования – это время, которое требуется, чтобы перейти от одного значения на выходе к другому значению.