Федеральное агентство по образованию Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА С. Н. Охулков ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ Кафедра “Теоретическая и общая электротехника” Для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения
Автозаводская высшая школа управления и технологий Очная и заочная форма обучения - Автомобили и автомобильное хозяйство - Автомобиле- и тракторостроение - Технология машиностроения г. Нижний Новгород, ул. Лескова, 68, т. (831) 256 -02 -10
Тема 5 ИНВЕРТОР НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ КМОП- ИНВЕРТОР ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Инвертор на биполярном транзисторе Резистор RБ служит для задания необходимого тока базы. Резистор RK – внутренней нагрузкой инвертора. Резистор RH – внешняя нагрузка. При RH = – режим холостого хода. RK = RH – предельная нагрузка. 4 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Передаточная характеристика инвертора Напряжение логического нуля на входе Напряжение логической единицы на входе 5 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Переходные процессы в инверторе на биполярном транзисторе определяются следующими причинами. 1. Наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При переключениях происходит заряд и разряд этих емкостей. 2. Накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе при переходе транзистора в режимы насыщения и отсечки. 6 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Переходные процессы в транзисторе при действии на входе прямоугольного импульса 7 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Переходные процессы в транзисторе при действии на входе прямоугольного импульса 8 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Процесс переключения инвертора после подачи входного импульса: 1. Задержка фронта. 2. Формирование фронта. 3. Накопление избыточного заряда в базе. 9 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе Задержка фронта tз – это интервал времени между моментом начала действия импульса и моментом, когда ток коллектора достигает значения, равного 0. 1 Iкнас. Задержка фронта обусловлена зарядом барьерной емкости эмиттерного перехода. Общее время включения tвкл складывается из времени задержки и длительности фронта: tвкл = tф + tз 10 Электротехника и электроника
Инвертор на биполярном транзисторе После окончания действия входного импульса начинается рассасывание избыточного заряда в базе. За счет этого коллекторный ток не меняется в течение времени. Затем начинается спад коллекторного тока. Одновременно растет напряжение коллектора. Общая длительность выключения: tвыкл = tр + tс 11 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор Схема инвертора на комплементарной (дополняющей) паре МОП-транзисторов В схеме используются два МОП-транзистора с индуцированными каналами n- и p-типов. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками 12 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор 1. Входное напряжение равно нулю. Напряжение , транзистор VT 2 находится в состоянии отсечки. Напряжение затвора p-канального транзистора VT 1 . Напряжение , VT 1 находится в линейном режиме. Итак, при выходное напряжение . 13 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор 2. Входное напряжение Транзистор VT 1 находится в режиме отсечки VT 2 находится линейном режиме. При выходное напряжение . 14 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор Транзисторы в схеме инвертора рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые пороговые напряжения и удельные проводимости: Этим обеспечивается симметричная передаточная характеристика. 15 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор Приповерхностная подвижность дырок в 2– 4 раза меньше подвижности электронов . Для согласования ширину канала транзистора VТ 1 выбирают в 2– 4 раза большей, чем у VТ 2. Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство 16 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор Переходные процессы в МОП-инверторах обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав нагрузки. Типичные значения суммарной емкости у инверторов, использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм, не превышают 1 п. Ф. Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT 1, а разряд – через VT 2. Время переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля определяют с помощью приближенного равенства 17 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор Основные свойства КМОП-инвертора 1. В обоих состояниях инвертора один из транзисторов заперт, поэтому ток в цепи между источником и землей ничтожно мал, и в статическом режиме схема практически не потребляет мощность от источника питания. 2. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте , определяются формулой 18 Электротехника и электроника
КМОП-инвертор 3. Выходное напряжение равно нулю или напряжению питания и почти не зависит от параметров транзисторов. Разность выходных напряжений инвертора в закрытом и открытом состояниях максимальна (близка к величине напряжения питания Е). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость схемы. 4. КМОП-инверторы обладают значительно большей нагрузочной способностью, чем инверторы на биполярных транзисторах. Входное сопротивление МОП-транзиистора бесконечно велико. Поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных инверторов. При этом уровень выходного напряжения практически не изменится. 5. КМОП-инвертор является практически идеальным логическим инвертором. Совершенствование технологии производства КМОПинтегральных схем привело к тому, что в настоящее время они стали доминирующими производстве цифровых интегральных схем. 19 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Наиболее важные параметры логических элементов: -напряжение источника питания; - уровни напряжений, соответствующие логическим нулю и единице; -помехоустойчивость; -потребляемая мощность; -нагрузочная способность; - быстродействие. Электротехника и электроника 20
Основные параметры логических элементов Напряжение источника питания зависит от типа ИМС. У микросхем ТТЛ и ТТЛШ напряжение питания равно 5 В. У элементов КМОП-логики напряжение питания зависит от минимальной длины канала транзистора . 0. 8 0. 5 0. 25 0. 18 5 3. 3 2. 5 1. 8 21 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Напряжения логических нуля и единицы зависят от типа микросхем. Элементы ТТЛ: Напряжение логического нуля , Напряжение логической единицы , . Выход КМОП-элемента представляет открытый полевой транзистор, подключенный к земле либо к шине питания. Поэтому высокий уровень выходного напряжения таких элементов меньше напряжения питания на 10– 20 м. В, а низкий – близок к нулю. 22 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Помехоустойчивость в состоянии логической единицы: Помехоустойчивость в состоянии логического нуля: 23 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Потребляемая мощность равна сумме статической РСТ и динамической РДИН составляющих. Статическая составляющая определяется как среднее арифметическое мощностей, потребляемых логическим элементом в состояниях логических 0 и 1. Динамическая составляющая РДИН пропорциональна частоте f : Здесь СН – емкость нагрузки; – величина логического перепада: 24 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Быстродействие логического элемента оценивают средним временем задержки распространения сигнала U вх 1 0, 5 t U вых 1 0, 5 t 10 t t 01 25 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов t 01 – время задержки распространения при переключении из состояния логического нуля в состояние логической единицы; t 10 – время задержки распространения при переключении из состояния логической единицы в состояние логического нуля. Для стандартных элементов ТТЛ среднее время задержки распространения составляет около 10 нс. У элементов ТТЛШ tзад = 3 нс. Время задержки распространения КМОП-инвертора, реализованного по технологии 0. 25 мкм, не превышает 30 пс. 26 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Энергия переключения равна произведению потребляемой мощности на среднее время задержки распространения: . Энергия переключения измеряется в пикоджоулях и характеризует степень совершенства цифровых ИС. Технология производства является тем более совершенной, чем меньше величина DP. 27 Электротехника и электроника
Основные параметры логических элементов Нагрузочная способность цифровых ИС характеризуется коэффициентом разветвления Кразв. Коэффициент разветвления равен наибольшему числу ИМС той же серии, которые можно подключить к выходу рассматриваемой схемы, не нарушая ее правильного функционирования. Для элементов ТТЛ-логики Кразв = 10. Коэффициент разветвления КМОП-элементов может достигать 100 и более. 28 Электротехника и электроника
, Стандартные параметры типовых элементов ТТЛ , , . 1. Напряжение питания ТТЛ-элементов . , . 2. Уровни напряжения на входе и выходе: , , , . 3. Помехоустойчивость: , . 4. Потребляемая мощность инвертора 10 м. Вт. 5. Время задержки распространения tзад = 10 нс. 29 Электротехника и электроника
Рекомендуемая литература 1. Алтунин Б. Ю. , Панкова Н. Г. Теоретические основы электротехники: Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б. Ю. Алтунин, Н. Г. Панкова; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Н. Новгород, 2007. -130 с. 2. Алтунин Б. Ю. , Кралин А. А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч. 1/ Б. Ю. Алтунин, А. А. Кралин; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Н. Новгород, 2007. -98 с. 3. Алтунин Б. Ю. , Кралин А. А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч. 2/ Б. Ю. Алтунин, А. А. Кралин; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Н. Новгород, 2008. -98 с 4. Касаткин, А. С. Электротехника /А. С. Касаткин, М. В. Немцов. -М. : Энергоатомиздат, 2000. 5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники /под. ред. А. В. Нетушила. -М. : Энергоатомиздат, 1995. 6. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. -3 -е изд. , перераб. И доп. -М. : Радио и связь, 1990. -512 с. : ил. 7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М. : Гардарики, 2008. – 653 с. 30 Электротехника и электроника
Тема 5 Закончена Благодарю за внимание
Скачать презентацию Федеральное агентство по образованию Нижегородский государственный технический университет
Полупроводников электроника. Т5..ppt