Размещено на http://www.allbest.ru/

20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

Изучение проходного ключа на КМДП -транзисторах

Цель работы: понять принцип работы проходного ключа, исследовать его характеристики, получить представление об использовании проходного ключа для построения функциональных элементов, научиться рассчитывать характеристики таких схем с помощью ЭВМ.

Теоретические сведения

Принцип работы проходного ключа

Симметрия МДП-транзистора в отношении областей стока и истока позволяет эффективно использовать интегральные МДП структуры для двунаправленной передачи информации. Однако с точки зрения управления сигналами по затвору n-МДП и p-МДП транзисторы не являются полностью эквивалентными приборами. Рассмотрим это подробнее. На рис. 1,а приведена схема включения n-канального МДП- транзистора с конденсатором нагрузки С_н, включенным в цепь истока так, что U_И = U_вых, U_C = U_вх, U_ЗИ = U_ф - U_вых, где U_ф - сигнал управления ключом.

Пусть первоначально U_вых = 0, т.е. конденсатор С_н разряжен. Если U_ф = 0, то независимо от величины входного сигнала U_вх транзистор закрыт. В другом случае, когда U_ф = U¹ ? U_ИП > U_{nop n}, транзистор откроется. При этом, если U_вх = U¹, конденсатор С_н начнет заряжаться, ток потечет слева направо. Когда напряжение на выходе достигнет значения U_вых = U¹ - U_{nop n}, транзистор закроется. Конденсатор С_н останется заряженным даже при выключении сигнала U_ф. Другими словами, выходное напряжение ограничивается величиной U_вых = U¹ - U_{nop n}, следовательно, логическая единица U¹ передается со входа на выход n-канального МДП транзистора с искажением (потерей амплитуды сигнала). Рассмотрим теперь ситуацию, когда U_вх = U⁰ ? 0 B. Так как U_ф = U¹ транзистор открыт и проводит ток в инверсном включении, справа налево, по рис.1,a. Конденсатор С_н разряжается до значения U_вых = 0, то есть логический ноль передается n-канальным МДП транзистором со входа на выход без искажений.

На рис. 1,б изображен р-канальный МДП транзистор в таком же включении, но управляемый инверсным сигналом . Рассуждая аналогично, имеем при = U¹ (U_ф = U⁰ ) закрытый транзистор независимо от входного сигнала. Условие отпирания р-канального транзистора можно представить в виде

Если = U ⁰ ? 0 В, то транзистор будет открыт, пока U_вых > - U_{nop p}, . это условие выполняется при передаче со входа на выход логической единицы U¹ (U¹ > ¦U_{nop p} ¦). Однако, при передаче на выход логического нуля конденсатор С_н сможет разрядиться через транзистор только до напряжения U_вых = ¦U_{nop p} ¦, так как при достижении такого выходного напряжения транзистор закроется.

Следовательно, р-канальный МДП транзистор передает со входа на выход логическую единицу без искажений, а логический ноль - с искажением (табл. 1).

Таблица 1. передача логических уровней транзисторами разных типов

Включая параллельно n- и р-канальные МДП транзисторы (объединяяих свойства), получим схему с идеальной передачей логических сигналов со входа на выход под воздействием управляющих сигналов (рис. 1,в). Заметим, что эти транзисторы управляются парафазными импульсами U_ф и (рис. 1,г). Такую КМДП- схему часто называют проходным ключом, ПК (transmission gate). В зарубежной литературе используются также два условных обозначения ПК, которые показаны на рис. 1,д,е.

Итак, если Ф = 0, оба транзистора закрыты независимо от значения входного сигнала. Если же Ф = 1, оба транзистора открываются и пропускают входной сигнал на выход (логический ноль и логическую единицу). При этом сопротивление ПК слабо зависит от величины входного сигнала (рис. 2). Ток в открытом ПК может протекать в любом направлении. Сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии ключа достаточно сильно зависит от температуры подложки, причем с ростом температуры сопротивление растет (рис. 3), а также разности потенциалов между: входом (истоком или стоком) и подложкой; затвором и подложкой.

В технологии КМДП схем с р- карманом чувствительность n- канального транзистора к изменению смещения подложки обычно выше, чем р-канального. Для снижения этого влияния на сопротивление n- МДП можно использовать схему, изображенную на рис. 4. В этой схеме потенциал подложки изменяется от величины входного потенциала до напряжения 0 В.

Передающий ключ иногда называют аналоговым выключателем из-за его способности пропускать или блокировать аналоговые сигналы. ПК - один из важных элементов цифровых синхронных КМДП схем. С его помощью можно упростить логические схемы, их топологию, уменьшить площадь кристалла по сравнению с традиционными вариантами воплощения. Наиболее эффективно эти преимущества реализуются для мультиплексирования и хранения информации.

проходной ключ транзистор сопротивление

Важной особенностью ПК является управление парафазными тактовыми импульсами (ТИ), получаемыми, например, с помощью простого инвертора. Однако такое решение в некоторых случаях может привести к опасности ложного срабатывания. Действительно, задержка между прямым и инверсным тактовыми импульсами приводит к искажению передающих свойств ключа. Поэтому для правильной работы схемы время фронта и среза ТИ должны быть минимальными.

Дополнительные меры предосторожности следует использовать при объединении выходов двух ПК (рис. 5), управляемых сигналами противоположной полярности. Небольшое несовпадение тактовых импульсов может привести, например, к одновременному открытию обоих ПК и появлению неопределенного (метастабильного) состояния на выходе.

Цифровые схемы с использованием проходных ключей

ПК позволяет существенно уменьшить число элементов при построении мультиплексора. Любое число сигналов можно переключить (мультиплексировать) на общую выходную шину с использованием одного ПК на каждый вход (рис. 6). В традиционной МДП технике (рис. 7) для этих же целей требуется в два раза больше транзисторов. При одинаковых размерах транзисторов вторая схема имеет меньшее быстродействие, поскольку в ней используется последовательное соединение транзисторов.

Кроме того, к преимуществам мультиплексора на ПК следует отнести более простую систему разводки межсоединений. С другой стороны, в таком мультиплексоре возможна ситуация, когда все сигналы завершаются одновременно, тогда напряжение на выходе схемы будут "плавать" в промежутке между 0 и U_ИП (метастабильное состояние), что может привести к ложному срабатыванию последующих схем

С помощью ПК можно уменьшить число транзисторов и в такой распространенной схема, как "исключающее ИЛИ". Один из вариантов приведен на рис.8.

В регистрах сдвига, счетчиках очень часто используют D -триггеры (название происходит от слова delay - задержка). Этот триггер имеет один вход D и два выхода - прямой Q и инверсный (иногда - нужен только один выход), Функциональная особенность этого типа триггера состоит в том, что сигнал на выходе Q в такте (п + I) повторяет значение входного сигнала D в предыдущем такте (п) и сохраняет (запоминает) это состояние до следующего такта. Другими словами, D- триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. Иногда этот триггер называют "защелкой".

Закон функционирования D - триггера прост:

Таблица состояний в подробной и минимизированной формах представлены в табл. 2 и 3 (здесь С - тактовый сигнал).

Таблица 2. Таблица состояний D- триггера

Таблица 3. Сокращенная таблица состояний

Смена состояний триггера происходит под действием тактового импульса С = 1, поэтому все реальные D- триггеры - тактируемые (синхронные). Управление по тактовому входу может быть статическим, динамическим, а также двухступенчатым. Схема D- триггера в традиционном исполнении и его условное обозначение представлены на рис. 9. В два раза меньше КМДП- транзисторов требуется для построения D- триггера с использованием ПК (рис. 10). Он состоит из пары инверторов и пары ПК. Когда ТИ имеет высокий логический уровень, данные поступают на открытый ключ, на выходе Q через инверторы появляется входной сигнал. Когда ТИ переходит в низкое состояние, цепь инверторов закрывается, а через цепь обратной связи на выходе Q фиксируется стабильное состояние.

На основе такого D- триггера можно построить цепочку защелок (рис. 11,a), которая в зависимости от значения управляющего сигнала разбивается на отдельные звенья (рис. 11,6,в). D- триггеры строят также по двухступенчатой схеме (master-slave). На рисунках 12-14 приведены электрические схемы таких защелок, причем во втором случае - с дополнительным сигналом очистки СLR, а в последнем варианте - с установкой S и сбросом R. Двухступенчатый D - триггер (рис. 13) срабатывает по фронту (положительному краю) тактового импульса. По срeзу ТИ данные поступают в первую ступень (master), но блокированы от второй ступени. По фронту ТИ информация передается от первой ступени на вторую и на выходы Q и . Недостатком схемы с использованием ПК является то, что выход всегда содержит на один вентиль больше, чем Q, и имеет большее время задержки.

Домашнее задание

1. Изучить теоретические разделы лабораторной работы.

2. Выбрать вариант задания для расчета из табл. 4. Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в журнале.

3. Для анализа схемы с использованием программы SPICE подготовить файл исходных данных. При задании параметров моделей МДП- транзисторов рекомендуется использовать следующие значения: U_{nop n} = 1B, U_{nop p} = -1 B, d_ok = 25 нм; k_0п = 1/2С_{уд n} , k_0р = 1/2С_удр, где С_уд = (_0ок)/d_ok = 0.03мкФ/см² ; г = 0.8; л = 0.1.

Выбор геометрических размеров транзисторов осуществляется, исходя из условия k_n ? k_p. Полагая L_n = L_p = L_min (L_min = 2мкм), получаем W_n/W_p ? _p/_n.

Оценить отношение _p/_n можно по графикам, приведенным на рис.15.

Пример файла исходных данных для анализа схемы на ПК (рис.6) с использованием программы SPICE приведен в табл.5.

Таблица 4. Варианты индивидуальных заданий

Лабораторное задание

Провести моделирование переходных процессов на ЭВМ в соответствии с индивидуальным заданием.

В зависимости от варианта возможны несколько видов расчета:

1) рассчитать температурную зависимость времени задержки передачи сигнала на выход относительно тактового импульса (информационные сигналы стабильны). Расчет проводить для Т = -55^оС; 25^оС; 125^оС;

2) рассчитать зависимость времени задержки передачи сигнала на выход относительно тактового импульса (информационные сигналы стабильны) от величины разброса (разницы 0%, 10%, 20%) удельной крутизны p- и n- канальных МДПТ;

3) исследовать влияние несовпадения тактовых импульсов (задержка 0, 1, 5, 10 нс) на работоспособность схемы (выполнение логической функции, время задержки сигнала на выходе);

4) определить максимальную частоту тактовых импульсов, при которой схема работает без искажений.

При анализе переходных процессов использовать импульсы трапециедальной формы (рис. 16): U¹ = U_ИП = 5B; U⁰ = 0; C_н = 1пФ.

Порядок выполнения работы

Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:

1) изучить принципы работы проходного ключа и схемы с его использованием;

2) ознакомиться с заданием и подготовить файл исходных данных для расчета по программе SPICE;

3) выполнить исследовательскую часть работы;

4) оформить отчет и защитить работу.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) название лабораторной работы;

2) краткий конспект теоретической части;

3) электрические схемы и геометрические размеры МДП-транзисторов4

4) результаты моделирования переходных процессовна ЭВМ;

5) выводы.

Контрольные вопросы

I. Какие преимущества передачи сигнала при параллельном объединении п- и р- канальных МДП-транзисторов?

2. Для какого транзистора в ПК влияние подложки сказывается сильнее?

3. Как реализовать парафазное управление транзисторами в ПК?

4. Какие комбинации управляющих сигналов приводят к метастабильному состоянию ПК?

5. Какие преимущества у логических схем, использующих ПК?

6. Почему на зависимости сопротивления ПК от входного напряжения есть экстремум?

7. Расскажите о температурных свойствах ПК,

8. Как подается напряжение питания на ПК.

9. Какое соотношение размеров р- и п- канальных транзисторов оптимально?

10. Для чего необходимо использовать тактовые импульсы с крутыми фронтами?

11. Какие меры предосторожности надо соблюдать при использовании ПК в логических схемах?

Табл.5. Пример файла исходных данных для программы “SPICE”

Рекомендуемая литература

1. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы,- Энергоатомиздат, 1981.

2. Зельдин Е.А. Триггеры,- Знергоатом/издат, 1983.

3. Мелен Р., Гарланд Г, Интегральные микросхемы с КМОП-структурами. /Пер, с англ.- М. Энергия, 1979.

Размещено на Allbest.ru