41633

Базовый логический элемент И-НЕ на КМДП-транзисторах

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Его можно переводить в открытое состояние подавая управляющее напряжение большее чем максимальное входное положительное напряжение причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю.

Русский

2014-10-01

163.93 KB

5 чел.

1-2. В качестве ключа можно использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме ключа отпадает необходимость в диоде и резисторе R1. Схема ключа на МОП-транзисторе приведена на рис. а. Здесь ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при Uзи <= 0.

Рис.1. Ключи на комплементарных МОП-транзисторах

    В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения приводит канал в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.

   Приведенная на рис.1б схема будет работать при положительных входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем Uупр; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии Rо начнет расти); отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора при заземленном затворе. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне от -10 до +10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником -15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и -15 В (выключено).

    Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис.1. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение +Uпит, а на подложку транзистора VT2 - отрицательное питающее напряжение -Uпит. При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно +Uпит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от -Uпит до +Uпит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно -Uпит. Транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от +Uпит до значения на несколько вольт выше -Uпит. Таким образом, все сигналы в диапазоне от +Uпит до -Uпит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рис. 4). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n-канального транзистора VТ2 устанавливается близким к -Uпит, а напряжение на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к +Uпит. Тогда, при -Uпит < Uвх < +Uпит, оба транзистора заперты, и цепь ключа разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания. Эта схема работает в двух направлениях - любой ее зажим может служить входным. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых ключей, выпускаемых в настоящее время.

3. Схема ЛЭ И-НЕ на КМДП-транзисторах:

4. Принцип работы ЛЭ И-НЕ на КМДП-транзисторах:

 Какой бы сигнал не подавался на вход, один из транзисторов всегда открыт, а другой – закрыт. Это связано с тем,  что комплементарными  по определению являются транзисторы разного типа, т. е. такие, что управляется сигналами разной полярности. С этим связан и факт нулевого потребления схем, использующих данный вид ключей.

;

;

а)                                 

Вышеприведенное условие характеризует такое состояние ключа, когда транзистор VT1 находится в режиме отсечки, а транзистор VT2 – в триодном (крутом) режиме.

Выходное напряжение определяется как результат деления напряжения источника питания между большим сопротивлением утечки запертого транзистора VT1 (R ут1=10^9...10^12 Ом) и малым сопротивлением VT2 в триодном  режиме (ri210^2ОМ), поэтому на выходе устанавливается высокий уровень:

б)                                         

– граничное напряжение перехода транзистора VT2 из триодного режима в пентодный (пологую область выходных характеристик). Условие обозначает работу VT1 в пентодной области, а VT2 – в триодной. Комплементарная пара находится в  усилительном режиме с коэффициентом передачи напряжения:

,

где  

∙  –  дифференциальное сопротивление стока транзистора VT1 в пентодном режиме;

 ∙ – статический коэффициент усиления транзистора VT1.

ku мал, так как . Ток потребления нарастает.

в) 

– граничное напряжение перехода транзистора VT1 из пентодного режима в триодный. Очевидно, оба транзистора находятся в пентодном режиме, поэтому обеспечивают максимальный коэффициент передачи напряжения:

Ток потребления продолжает нарастать к середине области 3 до максимального значения, после чего начинает уменьшаться по мере нарастания входного напряжения, так как транзистор VT2 от значения
  закрывается быстрее, чем открывается VT1.

г)

См. состояние 4 таблицы состояний. Коэффициент передачи снижается, так как с ростом U1 падает дифференциальное сопротивление ri1т:

.

д)                                            

Транзистор VT1 находится в триодном режиме, а VT2 – в режиме отсечки и через его сопротивление утечки протекает весьма малый ток. Выходное напряжение ключа:

В этом состоянии ключа ток потребления от источника питания является ничтожно малым и вычисляется следующим образом:

5. Особенности КМДП-структур – это симметричность относительно точки переключения схемы из одного логического состояния в другое, высокая статическая и динамическая помехоустойчивости, высокая нагрузочная способность, которая ограничивается предельно допустимым током нагрузки.. Упрощенно помехоустойчивость можно выразить как способность микросхемы исключить передачу помехи со входа схемы на ее выход. Статическая помехоустойчивость характеризует возможности схемы при длительном импульсе помехи, а динамическая  помехоустойчивость — при кратковременных помехах. Главное преимущество КМДП-элементов  состоит в том, что в обоих статических состояниях ток от источника питания не протекает, поэтому потребляемая мощность очень мала. Однако, во время переключения элемента ток протекает, заряжая паразитные ёмкости, поэтому динамическая потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может на несколько порядков превышать статическую.  КМДП-элементы принадлежат к классу элементов с низким быстродействием (частота их переключения не может превышать 5 МГц). Кроме быстродействия паразитные ёмкости снижают и допустимое количество входов. Это обусловлено тем, что при увеличении количества входов возрастает и количество транзисторов в «параллельной» группе, что в свою очередь увеличивает паразитную ёмкость, а увеличение количества последовательно соединённых транзисторов увеличивает их общее сопротивление, через которое разряжается ёмкость. Кроме того, это ведёт к повышению уровня логического 0.

6. Работа ЛЭ И-НЕ в КМДП-технологоии базируется на том, что проводимость в группе последовательно соединённых транзисторов определяется элементом с наименьшей проводимостью, а в группе параллельно соединённых транзисторов — элементом с наибольшей проводимостью, и том, что в комплементарной паре МДП-транзисторов в статике транзисторы находятся в противоположных состояниях.

7. Если хотя бы на один вход подан сигнал низкого уровня, то соответствующий транзистор из «параллельной» группы будет открыт, а, следовательно, падение напряжения на нём будет мало и практически всё напряжение питания передастся на выход (группа последовательно соединённых транзисторов в данном случае имеет очень большое сопротивление).

Собранная схема

1.Параметры: Rнагр= 10kOm,  Cн=50пФ,   Uи.п=10В.

2.Подаем на вход сигнал треугольной формы c параметрами:

Amplitude= 0.5UИП;

Offset= 0.5UИП;

Frequency=100Hz.

= 9.9277 В;                        = 48.3696 mВ;

= 7.4648В;                      = 2.772В;

Устанавливаем режим осцилографа В/А:

Подаем на вход сигнал прямоугольной формы: Amplitude= 0.5UИП; Offset= 0.5UИП; Frequency=1…5МHz.

 =1.8619 ns;

=945.6623 ps;

=544.0678 ps;

=233.6536 ps;

Выводы

В данной работе мы исследовали базовый логический элемент И-НЕ на КМДП-транзисторах.

Для исследования статических характеристик (U01max, U1 1min, U20, U21 ) подали на вход схемы от функционального генератора сигнал треугольной формы. Также мы сняли передаточную характеристику.

Для исследования динамических характеристик (tзд.р.01, tзд.р.10, tф.01, tф.10), подали на вход схемы сигнал прямоугольной формы.

Лабораторная работа №2:

«Логические элементы»

Выполнила

ст.гр. ИМ-71

Швец Ольга


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62802. Плетение 57.45 KB
  Оборудование: образец закладки для книг метровая линейка. А какая из этих книг будет той о которой говорилось в начале стихотворения Почему вы так решили Значит как с этой книгой обращались Верно А что нужно делать для того чтобы книга на долгое время сохранялась...
62803. Приемы изготовления сюжетной композиции «Лодочка» по образцу 18.35 KB
  Я буду называть материалы и инструменты а вы будете хлопать в ладоши при их наличии. Выполняя эту аппликацию вы будете продолжать осваивать приемы работы с бумагой: разметку по шаблону резание наклеивание. Это значит что синюю полосу вы будете приклеивать последней.
62804. Игрушка на 23 февраля 23.48 KB
  Что такое цилиндр Сегодня мы будем делать вот таких военных человечков. Посмотрите внимательно и скажите какая фигура является основой нашей поделки цилиндр. А кто может сказать что такое цилиндр...
62805. Работа с бумагой. Сгибание. Постройка дачи 15.41 KB
  Скажите чем вы занимались на прошлом занятии На этом уроке мы тоже будем работать с бумагой. Учитель: Итак мы переходим к практической работе. Учитель заготавливает детали для аппликации дети за ним повторяют.
62807. Пасха. Виготовлення святкової листівки 17.71 KB
  Обладнання для вчителя: зразки різних листівок зразки поетапного показу кольоровий папір альбомний папір технологічні картки. Обладнання для учнів: папір кольоровий і альбомний ножиці клей олівець.
62809. Поглиблення знань про тверді та м’які приголосні на письмі 19.09 KB
  Актуалізація опорних знань ЗУН учнів Прочитайте звукосполучення в таблиці ссь цуцю зизі раря дудю дзудзю татя лелє ненє Які букви вказують на м’яку вимову попереднього приголосного звука Які букви пом’якшують тверді приголосні...