Изучение характеристик логических элементов комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводниках
Контрольная работа по
ЦУиМП:
«Изучение характеристик
логических элементов КМОП»
Ключ на
основе КМОП
Рассмотрим
схему
1) Получим ПХ
и определим по ним значения входного напряжения, при которых открываются
транзисторы Т1, Т2 и защитные диоды.
Определим
напряжения открывания (переключения) транзисторов: , то (по графику 2.497 В)
Определим
напряжение открывания защитных диодов: т. к. , то
входное напряжение открытия диодов D1,2,3,4 (напряжение открытия диодов равно 0.6 В) равно
2) Получить
статические характеристики схемы при вариации напряжения питания
При
уменьшении напряжения питания происходит уменьшение напряжения открытия
транзисторов в соответствии с формулой Еп/2.
3) Получить
переходные характеристики
Определим
длительность переходных процессов при включении и выключении ключа и среднее
время задержки:
- при переходе выходного
сигнала с высокого уровня на низкий
- при переходе выходного
сигнала с низкого уровня на высокий
– среднее время задержки
ЛЭ.
Тогда
4) Получить
переходные характеристики при вариации напряжения питания
Время
задержки при переходе выходного сигнала с высокого уровня на низкий () с уменьшением напряжения питания уменьшается,
а время при переходе выходного сигнала с низкого уровня на высокий () при уменьшении напряжения питания растет.
ЛЭ КМОП
(ИЛИ-НЕ)
Рассмотрим
схему
1) Получить
статическую характеристику выходного напряжения от значения статического
напряжения на одном из входов ключа
При подаче на
х1 напряжения меньшего 2.5 В (логический ноль), в то время как на
два других входа подано напряжение 0 В, что соответствует уровню логического
нуля, транзисторы Т1, Т3 и Т5 закрыты, а Т6, Т4 и Т2 открыты, на выходе
фиксируется сигнал высокого уровня соответствующий логической единице. При
подаче же на х1 напряжения высокого уровня соответствующего
логической единице транзисторы Т3, Т2 и Т6 открыты, а Т1, Т5 и Т4 закрыты. На
выходе схемы напряжение низкого уровня, что соответствует логическому нулю.
2) Получить
таблицу истинности ЛЭ
Заменим
постоянные источники напряжения Х2,1,0 на импульсные источники, тем самым задав
входные уровни (0В – лог. нуль, 5В – лог. единица). Тогда получим след. График
анализа. По нему составим таблицу истинности:
X0
|
X1
|
X2
|
Y
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
Таким
образом, таблица истинности соответствует стандартному ЛЭ ИЛИ-НЕ, т.е. если на
одном из входов есть хотя бы одна логическая единица, то на выходе Y находится логический
нуль, значит можно утверждать, что единица это активное значение логической
переменной, при этом один из транзисторов Т2, Т4, Т6 заперт, а один из
транзисторов Т1, Т3, Т5 открыт. Если на всех входах лог. нули, то транзисторы
Т1, Т3, Т5 заперты, а Т2, Т4, Т6 – открыты.
Рассмотрим
схему
1)
Получить
статическую характеристику выходного напряжения от значения статического
напряжения на одном из входов ключа
Когда
напряжение на входе х0 соответствует уровню логического нуля, а
напряжения на двух других входах при этом соответствуют уровню логической
единицы, можно отметить. Транзисторы Т1, Т4 и Т6 закрыты, а Т2, Т3 и Т5
открыты, причем сигнал с транзисторов Т3 и Т5 идет на корпус, а с Т2 на выход,
и уровень этого выходного сигнала соответствует логической единице.
Когда
напряжение на входе х0 соответствует уровню логической единицы, а
напряжения на двух других входах при этом тоже соответствуют уровню логической
единицы, можно отметить. Транзисторы Т2, Т4 и Т6 закрыты, а Т1, Т3 и Т5
открыты, причем сигнал с транзисторов Т1, Т3 и Т5 идет на корпус, а на выход
поступает сигнал очень малого уровня, соответствующего логическому нулю.
2) Получить
таблицу истинности ЛЭ
Заменим
постоянные источники напряжения Х2,1,0 на импульсные источники, тем самым задав
входные уровни (0В – лог. ноль, 5В – лог. единица). Тогда получим след. график
анализа. По нему составим таблицу истинности:
X0
|
X1
|
X2
|
Y
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
Таким
образом, таблица истинности соответствует стандартному ЛЭ И-НЕ, т.е. если на
одном из входов есть хотя бы один логический нуль, то на выходе Y находится логическая
единица, значит можно утверждать, что нуль это активное значение логической
переменной. Если на всех входах лог. единицы, то транзисторы Т1, Т3, Т5
открыты, а Т2, Т4, Т6 – заперты – на выходе лог. нуль.
Формирователь
коротких импульсов (КМОП)
Рассмотрим
схему
1)
Получить
статические передаточные характеристики
Согласно
передаточной характеристики при любом изменении сигнала Х напряжение на выходе Y равно 5В (лог. единица),
а на выходе Y1
0 В (логический нуль).
Пусть на Х=0,
тогда на А4=1, А5=0, А6=1, А2=1, А3=0 Y=1, Y1=0
Пусть на Х=1,
тогда на А4=0, А5=1, А6=0, А2=1, А3=0 Y=1, Y1=0
Таким образом
на нижнем входе А2 всегда подается сигнал .
2)
Получить
временные диаграммы сигналов Y и Y1
По временной
диаграмме видно, что значения напряжения на нижнем входе А2 всегда инверсно
напряжению в точке Х, однакоY1 не всегда равно 0, что казалось бы не соответствует
полученным ранее выводам. Но это не так, поскольку ЛЭ А4, А5 и А6 содержат в
себе инерционные элементы, такие как транзистор, сигналы идущие на вход ЛЭ А2
придут на него с разной задержкой, таким образом возможен подбор ЛЭ, так что бы
на выходе Y1
мы получили импульсы с необходимым периодом и длительностью.
Найдем
длительность импульсов Y1: . Время задержки относительно
входного сигнала , время задержки сигнала Y меньше чем, время
задержки сигнала Y1, что сказывается наличием дополнительного элемента И-НЕ,
вносящего дополнительную задержку.
Формирователь
коротких импульсов (интегрирующая RC-цепь)
Рассмотрим
схему
1)
Получить
статические передаточные характеристики
Согласно
передаточной характеристики при любом изменении сигнала Х напряжение на выходе Y равно 5В (лог. единица),
а на выходе Y1
0 В (логический нуль).
Пусть Х=0,
тогда А4=1, А2=1, А3=0 Y=1, Y1=0
Пусть Х=1,
тогда А4=0, А2=1, А3=0 Y=1, Y1=0
2)
Получить
временные диаграммы сигналов Y и Y1
Поскольку в
схеме 5 присутствует RC цепь интегрирующего типа с постоянной времени , то увеличивается длительность импульсов.
Следовательно появляется возможность регулировать длительностью импульсов
изменяя постоянную времени τ.
Параметры
импульсов на выходе:
3)
Получить
временные диаграммы сигналов Y и Y1 при различных значениях резистора R1
При изменении
величины резистора R1 происходит изменение постоянной времени цепи. При увеличении
величины сопротивления согласно формуле постоянная
времени растет, следовательно, увеличивается время импульса.