Circuite logice cu tranzistoare mos

CIRCUITE LOGICE CU TRANZISTOARE MOS

Scopul lucrarii este cunoasterea functionarii circuitelor logice elementare cu tranzistoare cu efect de camp cu poarta izolata; experimentarile se fac pe o poarta logica multifunctionala realizata in tehnologie PMOS standard cu poarta de aluminiu.

Tranzistorul cu efect de camp de tip MOS, al carui simbol este reprezentat in fig. 26.1 are, ca parametri principali, tensiunea de prag, V_P V si factorul de curent mA/V Ecuatiile caracteristicilor statice sunt:

(26.1)

in zona liniara, inainte de saturatie, adica pentru:

V_DS V_GS - V_P (26.1')

respectiv:

(26.2)

in zona de saturatie de curent, cand este indeplinita relatia:

V_DS >V_GS - V_P (26.2')

Tranzistoarele folosite sunt cu canal p indus, toate tensiunile raportate la sursa (deci si tensiunile de alimentare) sunt negative, dar in relatiile de calcul sunt luate in valoare absoluta.

Cu tranzistoare cu efect de camp de tip MOS se pot realiza inversoare logice - ca circuite de baza pentru circuitele logice - in mai multe moduri, in functie de tipul rezistentei de sarcina; in lucrare, vor fi prezentate inversoarele din fig. 26.2, 3 si 4.

Pentru toate cele trei tipuri de inversor, caracteristica de transfer are aceeasi forma, ca in fig. 26.5, dar vor diferi valorile caracteristice, adica nivelele logice si marginile de zgomot statice, deduse din caracteristica de transfer.

Pentru inversorul cu sarcina rezistiva, fig. 26.2, se obtin urmatoarele relatii:

V_oH = V_DD  (26.3)

(26.4)

unde  _a este factorul de curent al tranzistorului MOS amplificator. Daca V_oL este mult mai mic decat V_DD, se poate folosi expresia aproximativa:

(26.4')

Pentru inversorul cu sarcina activa, cu tranzistorul MOS de sarcina functionand in regiunea liniara, fig. 26.3, in care se folosesc doua surse de alimentare, V_GG V_DD - V_P, se obtin relatiile:

V_oH = V_DD  (26.5)

(26.6)

unde k = _a/_S, _S fiind factorul de curent al tranzistorului MOS folosit ca sarcina.

Daca se presupune k >> 1, se obtine relatia aproximativa:

(26.6')

Pentru inversorul avand ca sarcina activa un tranzistor MOS in zona de saturatie - schema cea mai des utilizata in circuite integrate MOS - reprezentata in fig. 26.4, se obtin relatiile:

V_oH = V_DD - V_P (26.7)

(26.8)

Daca se considera k foarte mare, se obtine relatia aproximativa, pentru tensiunea corespunzatoare nivelului logic '0':

(26.8')

Marginile de zgomot statice sunt definite conform fig. 26.5:

MZ1 = V_P - V_oL (26.9)

MZ0 = V_oH - V₁  (26.10)

unde V₁ este tensiunea de intrare pentru care caracteristica de transfer ce se obtine are panta -1.

Nivelele logice ale inversorului si , deci, si marginile de zgomot statice, depind de curentul de sarcina pe care trebuie sa-l debiteze (in starea logica '1') respectiv, sa-l absoarba (in starea logica '0').

Raspunsul inversorului MOS la un impuls de comanda este determinat, in primul rand, de elementele capacitive parazite: capacitatile proprii ale tranzistoarelor (amplificator si sarcina), capacitatea de intrare a circuitelor comandate precum si capacitatea parazita a interconexiunilor.

La aplicarea unui impulsnegativ de ampitudine V_DD - V_P la intrarea inversorului din fig. 26.6, se obtine raspunsul din fig. 26.7.b, in fig. 26.7.a fiind desenat impulsul de comanda.

Timpul necesar deschiderii tranzistorului amplificator se calculeaza cu relatiile aproximative:

t_cd = t₁ + t₂  (26.11)

unde s-au notat:

t₁-intervalul de timp in care tranzistorul MOS amplificator este in zona de saturatie;

t₂-intervalul de timp in care tranzistorul MOS amplificator se afla in regiunea liniara a caracteristicilor de iesire;

v_o(t₂) = V_oL + 0,1(V_oH - V_oL)-valoarea tensiunii de iesire la care se considera ca procesul de comutare s-a terminat.

{n aceste realtii, s-a neglijat curentul prin tranzistorul MOS de sarcina.

La comutarea inversa, tranzistorul MOS amplificator se blocheaza, iar capacitatea de la iesire se incarca numai prin tranzistorul MOS de sarcina, in timpul dat de relatia:

(26.14)

unde v_o(t_ci) = V_oL + 0,9(V_oH - V_oL) este tensiunea de iesire la care procesul de comutare este considerat incheiat. Se poate folosi si relatia aproximativa:

(26.14')

Pentru a asigura fronturi cat mai mici, se pot folosi circuite cu mai multe tranzistoare MOS in configuratie inversoare sau neinversoare, ca in fig. 26.8, unde este reprezentat un buffer (separator) de tip inversor. Ambele fronturi ale impulsului de la iesire vor fi mici, intrucat atat incarcarea cat si descarcarea

capacitatii se fac printr-un tranzistor MOS cu factor de curent mare, de tipul tranzistorului amplificator din inversorul din fig. 26.4.

Circuite logice de tipul SAU-NU (NOR) si SI-NU (NAND) se pot realiza ca in fig. 26.9 respectiv fig. 26.10. {n cazul circuitului SAU-NU nivelul logic in satrea '0' se micsoreaza, iar in cazul circuitului SI-NU se mareste. Pentru ambele circuite, nivelul logic in satrea '1' nu se modifica.

{n fig. 26.11 este desenat un circuit elementar de memorare dinamica a informatiei cu tranzistor MOS. Capacitatea C memoreaza informatia aflata la intrarea v_i sub forma unei tensiuni; timpul de memorare este determinat de rezistenta echivalenta de pierderi de la bornele capacitatii. La iesirea inversorului, va fi tensiune V_oL daca la intrare a fost aplicat nivel logic '1', v_i = V_oH, respectiv tensiune V_oH, daca la intrare a fost aplicat nivel logic '0', v_i = V_oH.

DESF~SURAREA LUCR~RII

Experimentarile se fac pe poarta multifunctionala ROM 01 realizata in tehnologie PMOS standard cu poarta din aluminiu. Structura circuitului, a carui schema este prezentata in fig. 26.12, permite realizarea unor porti elementare dar si simularea unor circuite logice mai complexe. Principalii parametrii ai portii sunt prezentati in anexa.

Se realizeaza circuitele inversoare din fig. 26.2, 3 si 4 care se alimenteaza cu -V_DD = -15 V, -V_GG = -20 V, iar tensiunea de intrare se regleaza intre 0 si -15 V. Se masoara caracteristica de transfer pentru fiecare inversor si se traseaza pe un singur grafic, la aceeasi scara liniara.

Din caracteristicile de transfer se vor determina:

-tensiunile de iesire in starea logica '1', V_oH;

-tensiunile de iesire in starea logica '0', V_oL;

-tensiunea de prag, V_pa, a tranzistorului MOS amplificator ca fiind tensiunea de intrare pentru care tensiunea de iesire a inversorului (oricare din cele trei) incepe sa scada;

-tensiunea de prag, V_ps, a tranzistorului de sarcina stiind ca pentru inversorul din fig. 26.4 se obtine V_oH = V_DD - V_P, conform relatiei (26.7);

-factorul de curent al tranzistorului MOS amplificator, _a, din masuratoarea efectuata pentru V_oL a inversorului din fig. 26.2, folosind relatia aproximativa (26.4') cu V_P determinat anterior;

-factorul de curent al tranzistorului MOS de sarcina, _s, din masuratoarea pentru V_oL a inversorului din fig. 26.4, folosind relatia aproximativa (26.8') cu _a determinat anterior;

-marginile de zgomot statice in starea logica '1' definite ca in fig. 26.5, cu relatia (26.9) pentru cele trei inversoare;

-marginile de zgomot statice in starea logica '0' definite ca in fig. 26.5, cu relatia (26.10) pentru cele trei inversoare;

Se conecteaza o sarcina pentru inversorul MOS din fig. 26.4, un potentiometru P in serie cu o rezistenta fixa de 10 k. Se aduce inversorul in starea logica '0' prin aplicarea la intrare a tensiunii V_oH = V_DD - V_P si sarcina se conecteaza la sursa de alimentare V_DD printr-un miliampermetru. Se masoara dependenta V_oL = V_oL(I_s0). Se aduce inversorul in starea logica '1' prin cuplarea intrarii la masa iar sarcina se conecteaza la masa printr-un miliampermetru. Se traseaza caracteristica V_oH = V_oH(I_s1).

Se alimenteaza circuitul de formare a impulsurilor de comanda a inversorului MOS din fig. 26.13, cu o tensiune de alimentare egala cu -(V_DD - V_P), unde -V_DD = -15 V si se aplica la intrarea acestuia impulsuri negative cu amplitudine mai mare de 3 V, cu durata si perioada convenabil alese.

Se vizualizeaza formele de unda la intrarea si la iesirea inversorului MOS cu sarcina tranzistor MOS in saturatie, fig. 26.4, pentru C_s = 0 si pentru C_s = 100 pF. Se va lua in consideratie si capacitatea de intrare a osciloscopului.

Se vor determina nivelele de tensiune intre care are loc comutarea inversorului si timpii de comutare definiti ca in fig. 26.7. Se vor calcula timpii de comutare cu relatiile (26.12), (26.13) si (26.15) si se vor compara cu rezultatele experimentale. Se vor folosi parametrii determinati anterior pentru tranzistoarele MOS.

Se realizeaza separatorul inversor din fig. 26.8, se alimenteaza cu tensiunea -V_DD = -20 V si se comanda cu circuitul din fig. 26.13, fiind incarcat cu o capacitate de sarcina, C_s = 100 pF. Se vizualizeaza fronturile de unda de la intrare si de la iesirea circuitului si se masoara fronturile impulsurilor.

Se realizeaza circuitul SAU-NU din fig. 26.9 si se alimenteaza cu -V_DD = -15 V; se masoara nivelul logic V_oL cu una, cu doua sau cu toate intrarile activate cu V_iH = V_DD - V_P. Se masoara V_oH cand toate intrarile sunt la masa. Se aplica impulsuri de la circuitul din fig. 26.13 pe una din intrari si se vizualizeaza formele de unda la intrare si la iesire, fara capacitate de sarcina.

Se realizeaza circuitul SI-NU din fig. 26.10, se alimenteaza cu -V_DD = -15 V si se masoara nivelele logice V_oH si V_oL­ atunci cand intrarile sunt activate in mod corespunzator. Se aplica impulsuri de comanda pe toate cele trei intrari si se vizualizeaza formele de unda de la iesirea circuitului.

Se compara nivelele logice de la iesirile celor doua circuite cu nivelele logice de la iesirea inversorului masurate la punctul 2.

Se realizeaza circuitul elementar de memorare dinamica din fig. 26.12 (poarta G₂ a celui de al doilea tranzistor MOS este lasata in gol). Se aplica, la intrarea v_i, o tensiune egala cu -(V_DD - V_P), iar pe intrarea de comanda, v_c, se aplica impulsuri de la circuitul din fig. 26.13 (alimentat cu -V_DD = -15 V) cu drata de cateva sec si cu perioada foarte mare (de ordinul msec). Se vizualizeaza forma de unda la iesirea inversorului si se determina timpul de crestere (de la V_oH la V_oL) si timpul dupa care este necesara reimprospatarea informatiei, deci timpul dupa care valoare tensiunii de iesire atinge valoarea tensiunii de prag, la care incepe sa fie sesizata pierderea de informatie de la iesire. Se va lua C = 100 pF.