Лабораторная работа № 2.3

Цель работы состоит в исследовании динамических характеристик интегральных логических микросхем на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП) и зависимости этих характеристик от условий эксплуатации микросхем.

1. Введение

1.1. Исследуемые интегральные микросхемы (ИС) представляют собой логические элементы, построенные на комплиментарных МОП-транзисторах (то есть транзисторах дополняющего типа проводимости - с индуцированным каналами p-типа и n-типа и общим входом управления). Применение такого сочетания позволяет создать элементы с чрезвычайно низким потреблением мощности в статическом режиме.

Базовая схема инвертора - вентиля НЕ на КМОП-транзисторах показана на рис. 1. В КМОП ИС принята положительная логика: уровень U^o близок к 0, уровень U¹ близок к U_ИП.

Когда входное напряжение меньше порогового напряжения U^П_{ЗИ ПОР} n-канального транзистора (U_ВХ=U^o_ВХ<U_{ЗИ ПОР}), последний заперт. Если при этом разность U_ИП - U°_ВХ больше порогового напряжения [U^Р_{ЗИ ПОР}] p-канального транзистора, то последний открыт. Его сопротивление R^Р_СИ тем меньше, чем больше разность (U_ИП - U°_ВХ)-[U^Р_{ЗИ ПОР}].

Пороговые напряжения U^П_{ЗИ ПОР} и U^Р_{ЗИ ПОР} находятся обычно в пределах 2─3 В. Номинальное напряжение питания U_ИП для исследуемых микросхем составляет 9 В Таким образом, при U_ВХ=U^o_ВХ =0 p-канальный транзистор открыт и имеет небольшое сопротивление порядка сотен Ом.

Когда входное напряжение U_ВХ= U¹_ВХ= U_ИП, no аналогичным причинам заперт p-канальный и открыт n-канальный транзистор. Для надежного запирания транзисторов напряжения U^o_ВХ и U_ИП - U¹_ВХ при всех условиях работы должны быть менее соответствующих пороговых напряжений.

Таким образом, в статическом режиме один из транзисторов всегда заперт, и потребляемый от источника питания ток определяется лишь остаточным током стока I_{С ОСТ} этого транзистора. Последний очень мал, и поэтому потребляемая вентилем мощность, как правило, не превышает в статическом режиме 1 мкВт.

1.2. Так как напряжение питания больше суммы пороговых напряжений: U_ИП > U^П_{ЗИ ПОР} + [U^Р_{ЗИ ПОР}], то в процессе перехода входного напряжения от U°_ВХ к U¹_ВХ или обратно происходит переключение. Следовательно, в процессе переключения вентиль потребляет от источника питания дополнительную мощность, называемую мощностью потребления в динамическом режиме Р_{ПОТ. ДИН}. Эта мощность тем больше, чем выше частота переключения вентиля. Мощность Р_{ПОТ. ДИН} увеличивается также с повышением напряжения питания U_ИП, поскольку при этом уменьшается сопротивление транзисторов и увеличивается относительное время, в течение которого они оба открыты.

1.3. Другая причина роста потребляемой мощности с повышением частоты переключения обусловлена протеканием тока заряда и разряда паразитной и нагрузочной емкостей С_ПОР и С_Н (рис. 1). Схема замещения, поясняющая этот процесс, показана на рис.2.

Полагая, что переходные процессы успевают закончиться в промежутке между переходами вентиля из одного состояния в другое, т.е. что напряжения U¹_ВыХ= U_ИП и U⁰_ВыХ= 0 успевают установиться, находим:

- при заряде емкости C = C_ПОР + C_Н от нуля до напряжения U_ИП на сопротивлении R^Р_СИ рассеивается энергия

∞ - t/C R¹_вых

W_ЗАР = ∫ R¹_ВЫХ[ (U_ИП / R¹_ВЫХ) e )²] dt = U²_ИП С/ 2

о

- при разряде емкости через сопротивление R⁰ _ВЫХ

W_РАЗР.= U²_ИП С/2

При частоте переключения f _ПЕР = 1/Т _ПЕР - дополнительная мощность, потребляемая для заряда и разряда емкости:

ΔР= (W_ЗАР + W_РАЗР} / Т_ПЕР = U²_ИП С f_ПЕР

В аппаратуре выходы микросхем нагружены обычно на входы других микросхем тою же типа. МОП-транзисторы, не потребляющие по входу статической мощности, представляют собой только емкостную нагрузку для источника сигнала. Поэтому под емкостью нагрузки следует понимать суммарную емкость входов микросхем, подключенных к выходу данного элемента (плюс емкость монтажа).

1.4. При передаче сигнала по цепочке логических вентилей его запаздывание характеризуют средним временем задержки распространения t _ЗД.Р.СР [3]. В логических КМОП ИС величина t _ЗД.Р.СР существенным образом зависит от нагрузочной емкости, а также от напряжения питания. Зависимость от нагрузочной емкости очевидна. Что касается зависимости от напряжения питания, то она связана с изменением сопротивлений открытых транзисторов: с ростом U_ИП увеличиваются напряжения на затворах открытых транзисторов (на затворе VI при U_ВХ= U¹_ВХ, на затворе V2 при U_ВХ= U⁰_ВХ (см. рис. 1), сопротивления транзисторов при этом уменьшаются, и скорость заряда пли разряда емкости увеличивается.

1.5. Логический МОП-вентиль, имеющий n входов, содержит 2n транзисторов каждого типа проводимости. Принцип построения логических схем показан на рис. 3 на примере двухвходовых вентилей И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б).

В работе исследуются микросхемы серии К176, а именно ЛI76ЛН5, каждая из которых содержит 4 двухвходовых вентиля ИЛИ-НЕ.