4.2. Цифровые микросхемы кмоп
Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное соединение p- и n-канальных МОП-транзисторов. Тогда Rс в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будут происходить через относительно небольшие сопротивления каналов Rpк и Rnк p- и n-каналов.
На рис. 4.4 представлено последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов. Это инвертор (логический элемент НЕ).
Нижний транзистор с n-каналом (VT2) называют входным, верхний с каналом p-типа (VT1) – нагрузочным. Исток транзистора VT1 подключен к положительному полюсу источника питания (+Uип), исток входного (VT2) – к общему проводу. Входной сигнал поступает на затворы обоих транзисторов, выходное напряжение снимается с объединенных стоков. Когда движок потенциометра находится в нижнем положении, затворы обоих транзисторов получают нулевой потенциал. В этом случае транзистор VT2 закрыт, а VT1 – открыт, на объединенных стоках устанавливается высокий потенциал, равный Uип. Если движок потенциометра перевести в верхнее положение, верхний транзистор будет закрыт, а нижний – открыт, на объединенных стоках устанавливается нулевой потенциал. Промежуточные положения движка потенциометра позволяют получить передаточную характеристику инвертора (рис. 4.4, б).
а б
Рис. 4.4. Схема для снятия передаточной характеристики (а)
и характеристика инвертора (б)
Анализируя передаточную характеристику инвертора, можно сделать следующие выводы:
Логические уровни у схемы равны соответственно: нижний – нулю, верхний – Uи.п. Полезный сигнал на выходе равен напряжению питания (никакая другая схемотехника не обеспечивает этих возможностей).
Работоспособность схемы не зависит от напряжения питания начиная со значений Uи.п > 2Uпор, т.е. схема может работать при весьма больших разбросах значений напряжения питания, если начальный его уровень выбран с соответствующим запасом.
Затвор полевого транзистора и подложка, разделенные слоем диоксида кремния SiО2, образуют конденсатор (Свх). Это входная емкость полевого транзистора и инвертора. Она имеет величину от 5 до 15 пф. Емкость этого конденсатора невелика, а сопротивление утечки составляет примерно 1012 Ом, что создает благоприятные условия для накапливания статических зарядов. Известно, что напряжение между обкладками конденсатора связано с величиной заряда соотношением U = q / C. Если заряд (например, за счет электризации) достигнет значительной величины (ему некуда стекать), напряжение между затвором и подложкой превысит величину напряжения пробоя тонкого слоя диэлектрика и транзистор выйдет из строя.
Для защиты входной цепи инвертора к затворам присоединен стабилитрон VD1 (см. рис. 4.4). Для исключения возможности пробоя от статического или наведенного от силовых сетей электричества в структуре инвертора предусматриваются и другие элементы защиты (рис. 4.5).
Цепь защиты входа состоит из резистора R сопротивлением 0,5÷1,5 кОм и диодов VD1, VD2, VD3, которые замыкают повышенные входные напряжения либо на источник питания Uип, либо на общую шину. Диоды VD1, VD2 защищают изоляцию затвора от пробоя. В зависимости от значения и полярности перегрузочного напряжения диоды либо проводят в прямом направлении (падение напряжения на диоде Uд.пр = 0,7–0,8 В), либо оказываются в режиме лавинного пробоя, который наступает при обратном напряжении 30–35 В. Лавинный пробой диодов имеет обратимый характер и на работоспособности микросхемы не отражается. Последовательный резистор R (0,5÷1,5 кОм) ограничивает скачок тока при заряде емкости Свх, защищая выход предыдущей микросхемы от импульсной перегрузки. Эта RC-цепь создает временную задержку 6–7 нс. Диод VD3 защищает вход от ошибочной перемены полярности входного сигнала.
Рис. 4.5. Полная схема инвертора с защитными цепями
Диоды VD4–VD6 защищают выход инвертора от пробоя. Диоды VD4–VD5 не создаются специально – это составная часть структуры микросхемы. Диод VD6 защищает инвертор от ошибочной перемены полярности питания. Такой диод создают в структуре специально. Защитные элементы на принципиальных схемах обычно не изображают.