Проектирование и оптимизация схемы инвертора на n-МОП транзисторах

Лабораторная работа №№ 6-7

Проектирование и оптимизация 

схемы инвертора на n-МОП транзисторах

1. Цель и содержание работы

Целью работы является освоение методов проектирования и оптимизации технического объекта на основе использования его программных моделей. В качестве такого объекта выбран инвертор на n-канальных МОП транзисторах. При проектировании не требуются глубокие знания физических процессов в МОП транзисторах, достаточно лишь формальное математическое представление его характеристик на основе квадратичной модели. В процессе проектирования выбирается исходная точка в пространстве варьируемых параметров в центре области работоспособности, проводится параметрическая оптимизация на основе сформулированного критерия оптимальности, статистический анализ и моделирование основных характеристик в выбранных точках.

2. Инвертор, его основные характеристики и параметры

Инвертор представляет собой электронный логический элемент, предназначенный для инвертирования логических сигналов. Логические сигналы могут принимать только два значения: логический ноль “0” и логическая единица ”1”. Операция инвертирования превращает логический сигнал в противоположный. Эта операция эквивалентна операции not с логическими переменными false и true в программировании. Она может быть представлена следующей таблицей:                                          На практике логические  сигналы представляют собой уровни напряжения:  - уровень логического нуля и  - уровень логической единицы. Обычно используется “положительная логика”, в которой .

Для инвертирования логических сигналов могут быть использованы различные схемы на биполярных или полевых транзисторах, одна из которых представлена на рис. 1. Два МОП транзистора с каналами n-типа включены последовательно и образуют каскад, причем Т₁ является активным транзистором, а Т₂ исполняет роль нагрузочного двухполюсника. Входом является затвор транзистора Т₁, а выходом – точка соединения стока Т₁ и истока Т₂. Зависимость выходного напряжения от входного представлена на рис. 2.

Если напряжение на входе мало, то транзистор Т₁ закрыт и общий ток  цепи Т₁ – Т₂ равен нулю. Правда при этом на транзисторе Т₂ падает напряжение и выходное напряжение меньше E питания. Оно является напряжением логической единицы .При увеличении входного напряжения транзистор Т₁ открывается, в цепи Т₁ – Т₂ начинает протекать ток, который создает дополнительное падение напряжения на Т₂ и выходное напряжение начинает уменьшаться. При входном напряжении, равном , на выходе будет достаточно низкий уровень напряжения логического нуля . Математическая модель этой характеристики рассматривается ниже.

На передаточной характеристике показаны две рабочие точки инвертора: рабочая точка логического нуля и рабочая точка логической единицы, которые определяются по состоянию на выходе.

Параметрами инвертора, определяемыми его статической характеристикой , также являются:

-  перепад логических сигналов  ;

-  пороговое напряжение логического нуля  - наибольшее напряжение низкого уровня на входе, при котором схема начинает переключаться в противоположное состояние;

-  пороговое напряжение логической единицы  - наибольшее напряжение высокого уровня на входе, при котором схема начинает переключаться в противоположное состояние;

(В соответствии со стандартами, регламентирующими определение параметров, пороговые точки определяются как точки передаточной характеристики, в которых ).

-  запас помехоустойчивости при логической единице на выходе

;

-  запас помехоустойчивости при логическом нуле на выходе

;

Запасы помехоустойчивости часто представляют в относительных единицах, приводя их к логическому перепаду .

Второй статической характеристикой  инвертора является токовая – зависимость общего тока в цепи Т₁ – Т₂ от входного напряжения. Она представлена на рис. 3. Когда на входе , транзистор Т₁ закрыт и ток практически равен нулю. Наибольший ток протекает в цепи инвертора при логическом нуле на выходе. Это значение является статическим параметром инвертора – током потребления логического нуля . Он определяет мощность, потребляемую инвертором от источника питания   . С точки зрения выполнения логической функции эта мощность является паразитным параметром; желательно иметь как можно более низкое ее значение.

Динамические параметры инвертора определяют скорость его переключения из одного логического состояния в другое. Это переключение происходит за определенное время, т.к. происходит зарядка и разрядка внутренних емкостей транзисторов и емкости нагрузки, подключенной к выходу инвертора. Для того, чтобы стандартизировать динамические свойства, входное воздействие задают в виде ступенчатого сигнала с очень коротким фронтом, теоретически равным нулю (ступенчатый перепад). При подаче положительного перепада на вход  инвертор переходит из состояния логической единицы в состояние логического нуля на выходе. Этот процесс называется включением инвертора. При подаче  обратного перепада на вход  происходит выключение инвертора. Примерные зависимости  при включении и выключении инвертора представлены на рис. 4. Заметим сразу, что обычно инвертор включается быстрее, чем выключается. Объяснение этому будет дано далее.