8.1. Инверторы на n–моп и p–моп транзисторах

Рис. 8.1.1. Схема включения n–МОП транзистора и передаточная характеристика такого каскада

Здесь Rc – сопротивление стоковой нагрузки, аналогичное сопротивлению коллекторной нагрузки в n–p–n транзисторах.

Оценим с помощью простых расчетов быстродействие такого каскада. Сопротивление канала Rк меняется от десятков МОм в закрытом состоянии до 1…10 кОм в открытом при изменении входного напряжения Uзи от 0 до +Uпит. Считаем, что U¹вых = Uпит;

Если Rс = 40 кОм, Rк.откр. = 4 кОм , Uпит. = 10 В, Cнагр. = 20 пФ, и поскольку U⁰вых = Uпит. Rк.откр. / ( Rс + Rк.откр. ), t^0,1ф. = Rс  Cнагр., t^1,0ф. = Rк.откр.  Cнагр., fmax=1/( t^0,1ф.+ t^1,0ф.), то :

U⁰вых = 10  4 / ( 40 + 4 ) = 0.9 В, t^0,1ф. = 40 кОм  20 пФ = 800 нс

t^1,0ф. = 4 кОм  20 пФ = 80 нс, fmax=1/( t^0,1ф.+ t^1,0ф.) =1МГц

Рис. 8.1.2. Схема включения р–МОП транзистора и передаточная характеристика такого каскада

Так же, как и в предыдущем случае оценим с помощью простых расчетов быстродействие такого каскада.

Считаем, что Uвх. = Uпит. – Uзи,

Поскольку U¹вых = Uпит. Rс / (Rc + Rк.откр.), t^0,1 = Rк.откр. Cнагр., t^1,0 = Rс  Снагр., fmax=1/( t^0,1ф.+ t^1,0ф.), то при Uпит. = 10 В, Rс = 40 кОм, Rк.откр. = 4 кОм, Снагр. = 20 пФ:

U¹вых = 9,1 В, U⁰вых = 0 В,

t^,0,1 = 80 нс, t^1,0 = 800 нс, fmax =1 МГц

Вместо резистора Rс в действительности (в частности в серии К172) стоит специальный нагрузочный p–МОП транзистор с сопротивлением постоянно открытого канала Rк.откр. = 25…40 кОм.

Эти микросхемы имеют малое быстродействие (tзд.р. = 1 мкс), большую мощность потребления (порядка 40 мВт / логический элемент) и уровни U¹вых = 7,5 В, U⁰вых = 2,3 В, не совместимые с уровнями ТТЛ микросхемами, поэтому в новых разработках серия К172 не применяется.

8.2. Инвертор на кмоп транзисторах

Рис. 8.2.1. Схема включения инвертора на взаимодополняющих, комплиментарных р–МОП и n–МОП транзисторах, передаточная характеристика такого каскада и график импульса тока, протекающего через инвертор при его переключении

Если учесть, что роль сопротивления стоковой нагрузки Rc при перезаряде Cнагр. играют поочередно n–МОП и p–МОП транзисторы с сопротивлением открытого канала Rк.откр. на порядок меньшим, чем резисторы Rс в двух предыдущих случаях, то становится понятно почему быстродействие КМОП логических элементов на порядок выше чем у n–МОП и p–МОП логических элементов: tзд.р. = 0,06 мкс для К561 при Сн = 15 пФ, Uпит = 5 В. В КМОП инверторах U¹вых  Uпит, а U⁰вых  0.

Мощность, потребляемая логическим элементом КМОП в статическом режиме, близка к нулю (Pстат. = 10 ^{– 4} мВт / корпус), но с ростом частоты переключения схемы динамическая потребляемая мощность Pдин растет в соответствии с формулой:

Pдин = 2  Cнагр.  f  U²пит,

где Cнагр. – эквивалентная емкость нагрузки микросхемы; f, – частота переключения; Uпит, – напряжение питания.

Такая зависимость объясняется импульсами сквозного тока через оба транзистора в момент переключения.

Например, при частоте переключения f = 1 МГц, Uпит = 10 В, Снагр = 50 пФ потребляемая мощность достигает Pдин = 10мВт.

Зависимость мощности, потребляемой микросхемами различных серий в том числе и КМОП, от частоты переключения приведена на рис.5.2.2.

Очень высокое входное сопротивление МОП транзисторов (Rвх10¹² Ом) ставит проблему защиты от пробоя изоляции входных цепей МОП схем. Основная опасность идет от статического электричества, наводок силовых электромагнитных полей. Для защиты от пробоя на входе каждого КМОП логического элемента в составе микросхемы включают стабилитрон VD1. Его практически никогда не рисуют на схемах логических элементов, но помнить о том, что он есть в каждом КМОП логическом элементе надо.

Рис. 8.2.2. Эквивалентная схема КМОП инвертора

В структуре логического элемента КМОП заложены защиты как входов, так и выходов логического элемента. Они обеспечиваются технологией изготовления. На рис.2.6.2. показана эквивалентная схема инвертора КМОП. Цепь R, D1, D2, D3 представляет собой резисторно–диодную структуру с распределенными параметрами, введенную в кристалл логического элемента рядом с p–МОП и n–МОП транзисторами и названа схемой защиты.

Эта цепь защищает вход инвертора от пробоя, резистор защищает выход предыдущего каскада от импульсной токовой перегрузки при заряде емкости Cвх. Диоды D1, D2 и D3 изготовлены таким образом, что напряжение пробоя их в обратном включении составляет 25…50 В, и при сигналах на входе логического элемента, превышающих напряжение пробоя, эти диодные стабилитроны открываются и предохраняют входы полевых транзисторов от высоковольтных выбросов, которые могут привести к пробою изоляции между затвором и каналом полевого транзистора.

Различные p–n переходы, получившиеся при изготовлении областей стоков, истоков и кармана в подложке (кристалле кремния с n проводимостью) на схеме показаны как D4…D6.

Предельно допустимый ток входных стабилитронов 10мА, ток диода D6 больше. При неисправной полярности питания этот диод D6 может сгореть сам или сжечь источник питания, если в источнике нет защиты от короткого замыкания по выходу.

Если потенциалы входов и выходов МОП транзисторов не выходят за пределы 0…+Uпит., то об всех этих диодах можно забыть, поскольку напряжения пробоя этих встроенных стабилитронов превышает 25 В, т.е. больше напряжения питания.