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

35467. Основные параметры микропроцессоров. Типы микропроцессоров 130.5 KB
  Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП 286 486 Pentium Pro и т. Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП 386 этот состав далее принят за базовый Pentium MMX Pentium III Pentium 4. отличающиеся от базовой модели разрядностью шин тактовой частотой надежностью работы габаритами потреблением энергии амплитудой напряжения и другими параметрами; микропроцессоры Pentium Pentium II Pentium III имеют много различных модификаций некоторые из них будут названы ниже; число...
35468. Разновидности системных плат 247 KB
  Системные платы Системная или материнская motherboard MB плата это важнейшая часть компьютера содержащая основные электронные компоненты машины. С помощью материнской платы осуществляется взаимодействие между большинством устройств машины. Существует две основные разновидности конструкции системной платы СП: на плате жестко закреплены все необходимые для работы микросхемы сейчас такие платы используются лишь в простейших домашних компьютерах называемых одноплатными; непосредственно на системной плате размещается лишь...
35469. Системы телеобработки данных 51 KB
  Под техническими средствами телеобработки понимается совокупность технических средств системы обеспечивающих ввод данных в систему передачу данных по каналам связи сопряжение каналов связи с компьютером обработку данных и выдачу результатных данных абоненту. Наряду с техническими средствами для осуществления режима телеобработки у компьютера должно иметься и достаточно сложное программное обеспечение выполняющее такие функции как: обеспечение работы компьютера в различных режимах телеобработки; управление сетью телеобработки данных;...
35470. Классификация и архитектура информационно-вычислительных сетей 30 KB
  Основное назначение информационновычислительных сетей ИВС обеспечение эффективного предоставления различных информационновычислительных услуг пользователям сети путем организации удобного и надежного доступа к ресурсам распределенным в этой сети. Эффективность решения указанных задач обеспечивается: распределенными в сети аппаратными программными и информационными ресурсами; дистанционным доступом пользователя к любым видам этих ресурсов; возможным наличием централизованной базы данных наряду с распределенными базами данных; ...
35471. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ (ТВС) 199.5 KB
  Абонентская система AC это совокупность ЭВМ программного обеспечения периферийного оборудования средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети выполняющих прикладные процессы. Для ТВС принципиальное значение имеют следующие обстоятельства: ЭВМ находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей связываются между собой автоматически в этом заключается основная сущность протекающих в сети процессов; каждая ЭВМ сети должна быть приспособлена как для работы в...
35472. Модель взаимодействия открытых систем 113 KB
  Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов и стандартов регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных. Протокол это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети охватывающий основные процедуры алгоритмы и форматы взаимодействия обеспечивающие корректность согласования преобразования и передачи данных в сети. Говоря на разных языках люди могут не понимать друг друга также и сети использующие разные протоколы.
35473. Техническое обеспечение информационно-вычислительных сетей 78 KB
  Последние выполняют эффективную обработку данных и дистанционно обеспечивают пользователей сети всевозможными информационновычислительными ресурсами. Рабочая станция work station подключенный к сети компьютер через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Часто рабочую станцию равнокак и пользователя сети и даже прикладную задачу выполняемую в сети называют клиентом сети.
35474. Безопасность информации в сетях 79.5 KB
  К основным умышленным угрозам безопасности относятся: раскрытие конфиденциальной информации главным образом путем несанкционированного доступа к базам данных или прослушивания каналов связи; компрометация информации реализуется как правило посредством внесения несанкционированных изменений в базы данных внесения и использования компьютерных вирусов; несанкционированное использование ресурсов сети является средством раскрытия или компрометации информации но имеет и самостоятельное значение; несанкционированный обмен...
35475. Способы повышения производительности ЛВС 29.5 KB
  Интенсивность обмена данными между пользователями сети не является однородной. Часто в сети можно выделить группы пользователей информационно более интенсивно связанных друг с другом рабочие группы выполняющие решение однородных задач. В этом случае можно увеличить производительность сети разместив разные рабочие группы в отдельных сегментах сети.