Структури базових логічних елементів, страница 18

Розв’язання.  Приведена схема заміщення може бути зображена в вигляді еквівалентної схеми, що приведена на рис. 2.28,б, де R_E – еквівалентний опір, а U_E – напруга еквівалентного генератора, яка рівна для розглядаємої схеми

   U_E = (2кОм × 5 В)/(2+1)кОм = 3.33 В.

Струм короткого замикання:

 I_К =5 В/ 1кОм = 5мА.

Еквівалентний опір двополюсника:

 R_E = U_E/ I_К =667 Ом.

Якщо КМОН ключ на своєму виході має низький рівень, то в такому випадку вихідна напруга може бути обчислена по формулі:

       U⁰_ВИХ = U_E×R_n/(R_E +R_n) =0.43 В.

Аналогічно, при високому вихідному рівні маємо:

       U¹_ВИХ = U_E +(Е - U_E)× R_E/(R_p +R_E) = 4.61В.

Реально в практиці проектування електронних схем немає можливості визначити реальні величини R_p і R_n і, відповідно, рівні вихідної напруги. Замість цього виробники задають максимальну величину навантаження в кожному з станів інвертора і гарантують в найгіршому випадку необхідну напругу на навантаженні. Навантаження визначається величинами струму:

 I⁰_{ВИХ.МАКС.}  - максимальний струм, який вихід мікросхеми може сприймати в низькому стані, при якому забезпечується вихідна напруга, не більша ніж U⁰_{ВИХ.МАКС}; 

I¹_{ВИХ.МАКС.}  - максимальний струм, який вихід може генерувати в високому стані при забезпеченні мінімальної вихідної напруги, не меншої ніж  U¹_{ВИХ.МІН}

Оцінити величини R_p і R_n можна приблизно по паспортних параметрах мікросхеми:

R_p =(E - U¹_{ВИХ.МІН})/ I¹_{ВИХ.МАКС};

R_n = U⁰_{ВИХ.МАКС}/ I⁰_{ВИХ.МАКС}.

Розглянуті особливості роботи КМОН ІС справедливі, якщо рівні вхідних сигналів відповідають паспортним значенням. Якщо ж вхідна напруга не відповідає рівням шин живлення, то транзистори можуть неповністю відкриватись і закриватись. Тому в закритому стані опір транзистора може бути меншим, ніж 1 мОм, а в відкритому – більшим. Це приводить до зростання падіння напруги на них і, відповідно, стандартні рівні вихідної напруги можуть вийти за допустимі межі. Такі проблеми не з’являються в схемах,  в яких використовуються лише КМОН ІС, але при побудові схемотехніки на комбінації ТТЛ-КМОН, такі ситуації необхідно передбачати і не допускати.

Часові параметри. Вони визначаються тривалістю фронтів t⁰¹, t¹⁰ перемикання ключа, які, в свою чергу, повністю залежать від величин паразитних ємностей. Найбільший вплив серед них мають:

·  Ємності вхідних кіл, які для типових КМОН ІС мають величини 2-10 пФ;

·  Ємності з’єднуючих провідників, що мають розміри до 0.4 пФ на 1 сантиметр провідника;

·  Ємності вхідних кіл, що мають величини 2-15 пФ.

 Визначення тривалості фронтів може бути виконаний на основі аналізу перехідних процесів перемикання ключа. Останній проводиться на основі схеми заміщення

           Рис.2.29.       інвертора, що приведена на рис. 2.29, в якій навантаження моделюється елементами R_E, U_E і С. 

Розглянемо процес перемикання для випадку, коли КМОН ключ працює в оточенні аналогічних мікросхем. Це дає право вважати, що  R_E = ¥ і U_E =0. Перехідні процеси для оцінки тривалості фронтів розглядаються при умові миттєвого перемикання ключа з одного стану в інший. Якщо ключ знаходиться в стані забезпечення високого вихідного рівня, то конденсатор С буде знаходитись в в зарядженому стані з напругою Е. При переході ключа з високого рівня до низького почне розряжатись на опір  R_n по закону:

U_C = E×ехр(-t/R_n×C).

 Якщо прийняти Е = 5В, R_n =100 Ом, С = 100 пФ, а напругу низького порогового рівня U_ПН =0.3Е = 1.5 В, то час перемикання буде мати величину:

t_C = t¹⁰ =(R_n×C)ln(U_ПН/E) = 3.6 нС.

При переході ключа з низького вихідного рівня до високого конденсатор буде заряджатись від джерела живлення і напруга на ньому буде змінюватись по закону:

U_C =E(1-exp(-t/R_pC),

тому тривалість фронту, обчислюєма від нуля напруги до 0.7Е для R_p =200 Ом і С =100пФ буде:

t_Ф = t⁰¹ = (R_n×C)ln ((Е-0.7Е)/E) =7.1 нС.

Якщо оцінювати тривалості t_Ф і t_C не по пороговим рівням, а по їх максимальним значенням, то можна найти , що t_C =12 нС, а t_Ф =24 н, що дає можливість оцінку тривалості фрону і спаду  робити по постійним часу заряду- розряду конденсатора: R_n×C =10 нС і R_р×C =20 нС.