CIRCUITE INTEGRATE CMOS

CIRCUITE INTEGRATE CMOS

1. SCOPUL LUCR_RII

Se studiaz_ caracteristicile statice _i dinamice ale circuitelor integrate CMOS _i aspectele specifice ale utiliz_rii circuitelor CMOS.

2. CONSIDERA_II TEORETICE

Circuitele CMOS (structuri metal-oxid-semiconductor cu simetrie complementar_) reprezint_ familia de circuite logice cu parametrii cei mai apropia_i de aceia ai unei familii ideale. De la apari_ia circuitelor CMOS 4000A (f_r_ etaj de separare la ie_ire), au fost elaborate numeroase alte serii CMOS dintre care men_ion_m:

- 4000B - prev_zute la ie_ire cu elemente de separare;

- 4000UB (unbuffered) - o reluare modern_ a seriei 4000A;

- 74C/54C - de dou_ ori mai rapid_ decât seria 4000B dar _i cu consum dublu; sunt compatibile cu familia TTL din punct de vedere al terminalelor dar nu _i al semnalelor;

- seria rapid_ HCMOS _i seria ACL de trei ori mai rapid_ decât HCMOS.

Concomitent cu avantajul principal al circuitelor CMOS ce const_ într-un consum extrem de redus (100 nW în reg 18218h72s im static pe poart_), seriile CMOS mai prezint_ _i alte avantaje, cum ar fi:

- acceptarea unei game largi a tensiunilor de alimentare: 3-15V pentru seria MMC 4000 (Microelectronica) tipurile E _i F _i seria HE 4000B (Philips); 3-18V pentru seria MMC 4000 tipurile G _i H etc;

- posibilitatea ca în regim static num_rul sarcinilor comandate s_ fie foarte mare (peste 100); în regim dinamic, sarcina de circa 5pF a fiec_rei intr_ri CMOS necesit_ realizarea unui compromis între num_rul sarcinilor comandate _i vitez_;

- o gam_ larg_ a temperaturilor ambiante de func_ionare ( între -40 C _i +85 C pentru tipurile E _i F din seria MMC 4000 _i pentru seria HE 4000B);

- nivele ale semnalelor de ie_ire extrem de apropiate de 0V pentru starea 0 logic _i, respectiv, de valoarea tensiunii de alimentare pentru starea 1 logic.

2.1. Inversorul CMOS

În figura 4.1 este prezentat_ o pereche de tranzistoare MOS cu canal n _i cu canal p, care reprezint_ un inversor, elementul fundamental pe baza c_ruia se pot realiza por_ile logice _i, deci, toate celelalte func_ii necesare în circuitele logice CMOS.

O tensiune pozitiv_ de valoare ridicat_ (+V_DD), adic_ 1 logic, aplicat_ pe terminalul comun al grilei deschide tranzistorul MOS cu canal n, Q_n _i blocheaz_ tranzistorul MOS cu canal p, Q_p, ceea ce face ca ie_irea s_ fie comutat_ la o valoare coborât_ a tensiunii (V_SS), adic_ 0 logic.

Similar, o tensiune de valoare coborât_ sau nul_ (V_SS), adic_ 0 logic, aplicat_ pe gril_ va deschide Q_p _i va bloca Q_n, ie_irea comutându-se la o valoare ridicat_ a tensiunii (+V_DD), adic_ 1 logic.

Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependent_ de tensiunea de alimentare V_DD. Aceast_ caracteristic_ (figura 4.2) poate fi împ_r_it_ în cinci regiuni distincte

în care func_ionarea tranzistoarelor Q_n _i Q_p este prezentat_ rezumativ în tabelul 4.1. Cu V_TN s-a notat tensiunea de prag a tranzistorului MOS cu canal n (Q_n) iar cu V_TP tensiunea de prag a tranzistorului MOS cu canal p (Q_p). Dac_ valoarea tensiunii de alimentare V_DD este mai mic_ decât V_DDmin=V_TN+ V_TP , inversorul va prezenta o caracteristic_ de transfer cu histerezis (figura 4.3) _i circuitul nu va mai putea fi utilizat ca poart_ logic_. Cum valoarea tipic_ a tensiunii de prag pentru structurile CMOS standard este:

rezult_ V_DDmin=3V, valoarea minim_ a tensiunii de alimentare pentru circuitele CMOS din seria 4000. Tabelul 4.1

Considerând conven_iile logicii pozitive, se definesc nivelele logice de intrare _i de ie_ire, caracteristice seriei 4000:

- V_0H - nivelul de tensiune la ie_ire în starea 1 logic. Valoarea sa minim_ garantat_ este V_DD-0.5V (valoarea tipic_: V_DD - 0.01V);

- V_0L - nivelul de tensiune la ie_ire în starea 0 logic. Valoarea sa maxim_ garantat_ este 0.05V (tipic: 0.01V);

- V_IH - nivelul de tensiune la intrare în starea 1 logic, pentru care nivelul logic de la ie_ire nu se schimb_. Valoarea minim_ permis_ este 70% V_DD;

- V_IL - nivelul de tensiune la intrare în starea 0 logic, pentru care ie_irea r_mâne neschimbat_. Valoarea maxim_ permis_ este 30% V_DD.

Marginea de imunitate la pertrurba_ii statice pentru o stare logic_ se define_te ca diferen_a dintre nivelul de semnal garantat la ie_irea circuitului de comand_ de c_tre firma produc_toare corespunz_tor celor mai defavorabile condi_ii de func_ionare (temperatur_, tensiune de alimentare, înc_rcare, etc.) _i nivelul de tensiune cel mai defavorabil pe care circuitul comandat îl mai accept_ la intrare pentru men_inerea la ie_ire a st_rii logice dorite.

Marginile de imunitate la perturba_ii (zgomot) garantate rezult_ din rela_iile:

M_ZL = V_ILmax - V_OLmax

M_ZH = V_IHmin - V_OHmin

Pentru configura_iile logice din seria 4000B marginile tipice de imunitate la perturba_ii precizate de firmele produc_toare sunt egale cu 45% din valoare tensiunii de alimentare V_DD, iar marginile garantate cu 30%. Practic, imunitatea la zgomot este 45..50% din valoarea tensiunii de alimentare.

Când unul din tranzistoarele inversorului este comandat în stare de conduc_ie, sarcina sa format_ din tranzistorul complementar comut_ în starea de blocare. În consecin__, în regim static schema nu consum_ curent, cu excep_ia curentului de fug_ prin rezisten_e de ordinul megaohmilor, rezisten_ele tranzistoarelor în regim de blocare. Dac_ tensiunea de intrare ia _i alte valori în afara nivelelor logice permise, consumul de putere cre_te. De asemenea, în regim dinamic, pe fiecare front de comuta_ie cre_te consumul de putere. La aceasta contribuie dou_ cauze. În func_ie de m_rimea frontului impulsului de comand_ ambele tranzistoare MOS complementare se afl_ în regim de conduc_ie. Pe de alt_ parte apare necesitatea înc_rc_rii sau desc_rc_rii capacit__ilor parazite de la ie_irea circuitului _i eventual a capacit__ii de sarcin_ la fiecare tranzi_ie spre poten_ialul corespunz_tor tensiunii de alimentare, V_DD, sau cel al masei, 0V, prin rezisten_ele de ie_ire ale circuitului.

În figura 4.4 se poate observa forma r_spunsului circuitului inversor înc_rcat cu o capacitate de sarcin_ C_S, la un impuls de comand_ cu fronturi ideale, cu amplitudine egal_ cu V_DD _i de durat_ suficient de mare. Cu t_f _i t_r s-au notat durata fronturilor de c_dere _i respectiv de cre_tere a impulsurilor la ie_ire.

Între factorii ce influen_eaz_ viteza de comutare a circuitelor CMOS se num_r_ valoarea tensiunii de alimentare, modul de realizare a configura_iei (cu sau f_r_ circuit de separare la ie_ire) _i tehnologia de elaborare a structurii logice.

Puterea disipat_ în regim static este în jur de 0.1 W pe poart_ _i cre_te cu temperatura ambiant_ de func_ionare. Puterea disipat_ cre_te de asemenea în regim de comutare. Cre_terea valorii tensiunii de alimentare V_DD, de_i m_re_te viteza de comutare, determin_ o cre_tere a puterii totale consumate în regim dinamic conform rela_iei:

unde C_PD - reprezint_ valoarea capacit__ii echivalente a circuitului (dat_ în catalog);

f - frecven_a de lucru;

P_CC - puterea consumat_ în regim sta_ionar.

Pentru unele serii CMOS (HE 4000 - Philips) în cataloage sunt indicate pentru fiecare circuit formule de calcul pentru puterea disipat_ mai simple.

Inversorul CMOS asigur_ valori aproximativ egale pentru durata celor dou_ fronturi ( _i deci _i pentru timpii de propagare) datorit_ simetriei func_ion_rii circuitului în cele dou_ sensuri de varia_ie a tensiunii de ie_ire.

2.2 Poarta de transmisie

Un alt element fundamental în construc_ia circuitelor integrate CMOS este poarta de transmisie. Aceasta const_ dintr-o pereche complementar_ de tranzistoare conectate în paralel

(figura 4.5). Circuitul se comport_ ca un comutator, variabila logic_ A fiind intrarea de control.

Când intrarea de control A este în 1 logic _i _ în 0 logic poarta de transmisie este deschis_, între intrare _i ie_ire apare o rezisten__ serie mic_, ceea ce permite trecerea curentului în ambele direc_ii. Valoarea tensiunii pe intrare trebuie s_ fie pozitiv_ în raport cu V_SS _i negativ_ în raport cu V_DD. Când intrarea A este în 0 logic _i _ este în 1 logic, poarta de transmisie este blocat_, între intrare _i ie_ire ap_rând o rezisten__ de valoare foarte mare.

Valoarea rezisten_ei serie intrare-ie_ire a por_ii de transmisie deschise R_ON este dependent_ de valoarea tensiunii aplicate la intrare, de diferen_a de poten_ial dintre V_DD _i V_SS _i de sarcina pe care debiteaz_ ie_irea.

Poarta de transmisie împreun_ cu un inversor formeaz_ un comutator bilateral (figura 4.6). Circuitul integrat MMC 4016 con_ine 4 astfel de comutatoare bilaterale. Circuitul MMC 4066, identic pin la pin cu MMC 4016, are o structur_ modificat_ ce permite ob_inerea unei valori constante a rezisten_ei în starea de conduc_ie pentru întreaga gam_ a tensiunilor de intrare.

Cu por_ile de transfer se pot realiza circuite logice. Astfel dac_ a=1 _i b=1 circuitul din figura 4.7 se comport_ ca o poart_ SAU. Prezen_a rezisten_ei implic_ un consum de putere în regim static dac_ m_car una din por_i este deschis_.

Poarta SAU se poate realiza _i f_r_ rezisten__, dac_ sunt disponibile la terminale _i semnalele de comand_ suplimentare (figura 4.8).

3. MERSUL LUCR_RII

Se va studia comportarea por_ilor logice CMOS din cadrul circuitelor puse la dispozi_ie. Se va ridica caracteristica de transfer. Se determin_ nivelele logice în cele dou_ st_ri _i tensiunile de prag pentru diferite tensiuni de alimentare. Se va mic_ora tensiunea de alimentare sub 3V _i se va ridica caracteristica static_. Se va analiza influen_a sarcinii asupra nivelelor logice ale circuitului. Pentru aceasta rezisten_a de sarcin_, R_S, se va conecta la mas_ _i se va m_sura tensiunea V_0H, apoi R_S se va conecta la V_DD _i se va m_sura V_0L. Cu aceast_ ocazie se va m_sura _i rezisten_a în conduc_ie a tranzistoarelor Q_n _i Q_p. Se va întocmi schema _i se va realiza un circuit pentru verificarea marginilor de imunitate la perturba_ii ale circuitelor puse la dispozi_ie _i se vor compara valorile m_surate cu valorile garantate, tipice _i practice pentru diferite tensiuni de alimentare.

Se va analiza func_ionarea inversorului în regim dinamic. Pentru aceasta se aplic_ la intrarea circuitului impulsuri cu amplitudinea egal_ cu V_DD _i se urm_re_te r_spunsul, m_surându-se timpii de comutare în gol _i pentru C_S=200pF. Se va analiza modul cum sunt influen_a_i puterea disipat_ _i timpii de comutare de varia_ia tensiunii de alimentare. Pentru aceste m_sur_tori se poate utiliza o schem_ de test dup_ modelul celei din figura 4.9.

Se va analiza _i modul de varia_ie a puterii consumate în func_ie de frecven_a de lucru.

Se va studia comportarea por_ilor de transmisie ca _i comutatoare bilaterale pentru transmisia semnalelor analogice. Se va realiza un circuit logic _I cu por_i de transmisie _i se va verifica tabelul de adev_r al circuitului.

4. CON_INUTUL REFERATULUI

- Prezentarea rezumativ_ a caracteristicilor por_ii inversoare _i a por_ii CMOS.

- Configura_ia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele de m_sur_, tabele cu m_sur_tori _i graficele reprezentând caracteristicile statice ridicate.

- Schema de la punctul 3.3 _i tabelul de adev_r.