1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить характеристики ключевых схем на дополняющих МОП-транзисторах (КМОП) и базовых схем логических элементов КМОП, используя возможности программы MC8DEMO. Изучить содержание процессов в формирователях импульсов на базе ЛЭ КМОП и проявления гонок (состязаний) в цифровых схемах.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ БАЗОВОЙ СХЕМЫ КМОП

КМОП обозначает получившую широкое распространение технологию изготовления ИС. Особенностью ИС КМОП является использование

в качестве базовой схемы комплементарного ключа (рис.1), состоящего из ключевого транзистора Tn и нагрузочного – Tp. Ключевой транзистор c индуцированным каналом Tn имеет канал n-типа (отпирание транзистора Tn происходит при >,  - порог отпирания n-канального транзистора), а нагрузочный транзистор с индуцированным каналом Tp – канал p-типа (отпирание нагрузочного транзистора Tp происходит при <,  - порог отпирания p-канального транзистора).

Управляющее напряжение  воздействует одновременно на ключевой и нагрузочный транзисторы, вид вольт-амперной характеристики нагрузки под воздействием  меняется, поэтому комплементарный ключ рис.1 является ключом с нелинейной активной нагрузкой.

Когда напряжение  мало, < - ключевой транзистор Tn закрыт (через него протекает только весьма малый ток утечки), но нагрузочный транзистор Tp при этом открыт, его напряжение затвор-исток более отрицательное, чем , так как

<.

В режиме замкнутого ключа (максимальной проводимости канала) МОП-транзистор представляет собой некоторое сопротивление Rт между истоком и стоком (сопротивление канала), зависящее от напряжения на затворе. Величина этого сопротивления аналитически выражается формулой

,                                                                               ( 1 )

где - параметр МОП-транзистора (удельная крутизна),  - соответственно напряжение на затворе и пороговое напряжение. При максимальных значениях  в зависимости от типа транзистора это сопротивление составляет Rт 200 Ом ... 500 Ом для n-канальных транзисторов, для p-канальных – оно примерно в 3 раза больше.

При <  статическому состоянию ключа рис.1

соответствует простейшая схема замещения рис.3,а, в которой запертый транзистор Tn представлен разрывом всех его выводов, а открытый транзистор Tp - эквивалентным резистором Rт2 между стоком и истоком. В таком статическом состоянии .

При больших значениях напряжения  в схеме рис.1, когда >, ключевой транзистор Tn открыт, а нагрузочный Tp – закрыт, так как

>.

Такому статическому состоянию ключа рис.1 соответствует простейшая схема замещения рис.3,б, в которой запертый транзистор Tp представлен разрывом всех его выводов, а открытый транзистор Tn - эквивалентным резистором Rт1 между стоком и истоком. В таком статическом состоянии .

Как следует из моделей рис.3а,б, комплементарный ключ не потребляет тока в обоих статических состояниях, когда < и когда >. Ключ потребляет ток только в режиме переключения. Такое свойство комплементарного ключа определяет и другие его достоинства:

- напряжения логических уровней  и  обеспечивают максимальную величину логического перепада напряжения - ;

- высокое быстродействие (в схеме нет статического тока - сопротивления проводящих каналов могут быть снижены и, следовательно, скорости перезаряда емкостей повышены);

- ключ сохраняет работоспособность при изменении питающего напряжения  в широких пределах и может работать с нестабилизированным питанием;

- малая мощность потребления при низких и средних частотах переключения;

- большая нагрузочная способность при низких и средних частотах переключения;

- малая зависимость рабочих характеристик от температуры.

Входное сопротивление МОП-транзисторов независимо от их состояния очень велико: . ............