CIRCUITE INTEGRATE CMOS

CIRCUITE INTEGRATE CMOS

1. SCOPUL LUCRÃRII

Se studiazã caracteristicile statice si dinamice ale circuitelor integrate CMOS si aspectele specifice ale utilizãrii circuitelor CMOS.

2. CONSIDERAsII TEORETICE

Circuitele CMOS (structuri metal-oxid-semiconductor cu simetrie complementarã) reprezintã familia de circuite logice cu parametrii cei mai apropiasi de aceia ai unei familii ideale. De la aparisia circuitelor CMOS 4000A (fãrã etaj de separare la iesire), au fost elaborate numeroase alte serii CMOS dintre care mensionãm:

- 4000B - prevãzute la iesire cu elemente de separare;

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

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

- seria rapidã HCMOS si seria ACL de trei ori mai rapidã decât HCMOS.

Concomitent cu avantajul principal al circuitelor CMOS ce constã într-un consum extrem de redus (100 nW în regim static pe poartã), seriile CMOS mai prezintã si alte avantaje, cum ar fi:

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

- posibilitatea ca în regim static numãrul sarcinilor comandate sã fie foarte mare (peste 100); în regim dinamic, sarcina de circa 5pF a fiecãrei intrãri CMOS necesitã realizarea unui compromis între numãrul sarcinilor comandate si vitezã;

- o gamã largã a temperaturilor ambiante de funcsionare ( între -40 C si +85 C pentru tipurile E si F din seria MMC 4000 si pentru seria HE 4000B);

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

2.1. Inversorul CMOS

În figura 4.1 este prezentatã o pereche de tranzistoare MOS cu canal n si cu canal p, care reprezintã un inversor, elementul fundamental pe baza cãruia se pot realiza porsile logice si, deci, toate celelalte funcsii necesare în circuitele logice CMOS.

O tensiune pozitivã de valoare ridicatã (+V_DD), adicã 1 logic, aplicatã pe terminalul comun al grilei deschide tranzistorul MOS cu canal n, Q_n si blocheazã tranzistorul MOS cu canal p, Q_p, ceea ce face ca iesirea sã fie comutatã la o valoare coborâtã a tensiunii (V_SS), adicã 0 logic.

Similar, o tensiune de valoare coborâtã sau nulã (V_SS), adicã 0 logic, aplicatã pe grilã va deschide Q_p si va bloca Q_n, iesirea comutându-se la o valoare ridicatã a tensiunii (+V_DD), adicã 1 logic.

Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependentã de tensiunea de alimentare V_DD. Aceastã caracteristicã (figura 4.2) poate fi împãrsitã în cinci regiuni distincte

în care funcsionarea tranzistoarelor Q_n si Q_p este prezentatã 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). Dacã valoarea tensiunii de alimentare V_DD este mai micã decât V_DDmin=V_TN+ V_TP , inversorul va prezenta o caracteristicã de transfer cu histerezis (figura 4.3) si circuitul nu va mai putea fi utilizat ca poartã logicã. Cum valoarea tipicã a tensiunii de prag pentru structurile CMOS standard este:

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

Considerând convensiile logicii pozitive, se definesc nivelele logice de intrare si de iesire, caracteristice seriei 4000:

- V_0H - nivelul de tensiune la iesire în starea 1 logic. Valoarea sa minimã garantatã este V_DD-0.5V (valoarea tipicã: V_DD - 0.01V);

- V_0L - nivelul de tensiune la iesire în starea 0 logic. Valoarea sa maximã garantatã este 0.05V (tipic: 0.01V);

- V_IH - nivelul de tensiune la intrare în starea 1 logic, pentru care nivelul logic de la iesire nu se schimbã. Valoarea minimã permisã este 70% V_DD;

- V_IL - nivelul de tensiune la intrare în starea 0 logic, pentru care iesirea rãmâne neschimbatã. Valoarea maximã permisã este 30% V_DD.

Marginea de imunitate la pertrurbasii statice pentru o stare logicã se defineste ca diferensa dintre nivelul de semnal garantat la iesirea circuitului de comandã de cãtre firma producãtoare corespunzãtor celor mai defavorabile condisii de funcsionare (temperaturã, tensiune de alimentare, încãrcare, etc.) si nivelul de tensiune cel mai defavorabil pe care circuitul comandat îl mai acceptã la intrare pentru mensinerea la iesire a stãrii logice dorite.

Marginile de imunitate la perturbasii (zgomot) garantate rezultã din relasiile:

M_ZL = V_ILmax - V_OLmax

M_ZH = V_IHmin - V_OHmin

Pentru configurasiile logice din seria 4000B marginile tipice de imunitate la perturbasii precizate de firmele producãtoare 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 conducsie, sarcina sa formatã din tranzistorul complementar comutã în starea de blocare. În consecinsã, în regim static schema nu consumã curent, cu excepsia curentului de fugã prin rezistense de ordinul megaohmilor, rezistensele tranzistoarelor în regim de blocare. Dacã tensiunea de intrare ia si alte valori în afara nivelelor logice permise, consumul de putere creste. De asemenea, în regim dinamic, pe fiecare front de comutasie creste consumul de putere. La aceasta contribuie douã cauze. În funcsie de mãrimea frontului impulsului de comandã ambele tranzistoare MOS complementare se aflã în regim de conducsie. Pe de altã parte apare necesitatea încãrcãrii sau descãrcãrii capacitãsilor parazite de la iesirea circuitului si eventual a capacitãsii de sarcinã la fiecare tranzisie spre potensialul corespunzãtor tensiunii de alimentare, V_DD, sau cel al masei, 0V, prin rezistensele de iesire ale circuitului.

În figura 4.4 se poate observa forma rãspunsului circuitului inversor încãrcat cu o capacitate de sarcinã C_S, la un impuls de comandã cu fronturi ideale, cu amplitudine egalã cu V_DD si de duratã suficient de mare. Cu t_f si t_r s-au notat durata fronturilor de cãdere si respectiv de crestere a impulsurilor la iesire.

Între factorii ce influenseazã viteza de comutare a circuitelor CMOS se numãrã valoarea tensiunii de alimentare, modul de realizare a configurasiei (cu sau fãrã circuit de separare la iesire) si tehnologia de elaborare a structurii logice.

Puterea disipatã în regim static este în jur de 0.1 W pe poartã si creste cu temperatura ambiantã de funcsionare. Puterea disipatã creste de asemenea în regim de comutare. Cresterea valorii tensiunii de alimentare V_DD, desi mãreste viteza de comutare, determinã o crestere a puterii totale consumate în regim dinamic conform relasiei:

unde C_PD - reprezintã valoarea capacitãsii echivalente a circuitului (datã în catalog);

f - frecvensa de lucru;

P_CC - puterea consumatã în regim stasionar.

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

Inversorul CMOS asigurã valori aproximativ egale pentru durata celor douã fronturi ( si deci si pentru timpii de propagare) datoritã simetriei funcsionãrii circuitului în cele douã sensuri de variasie a tensiunii de iesire.

2.2 Poarta de transmisie

Un alt element fundamental în construcsia circuitelor integrate CMOS este poarta de transmisie. Aceasta constã dintr-o pereche complementarã de tranzistoare conectate în paralel

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

Când intrarea de control A este în 1 logic si s în 0 logic poarta de transmisie este deschisã, între intrare si iesire apare o rezistensã serie micã, ceea ce permite trecerea curentului în ambele direcsii. Valoarea tensiunii pe intrare trebuie sã fie pozitivã în raport cu V_SS si negativã în raport cu V_DD. Când intrarea A este în 0 logic si s este în 1 logic, poarta de transmisie este blocatã, între intrare si iesire apãrând o rezistensã de valoare foarte mare.

Valoarea rezistensei serie intrare-iesire a porsii de transmisie deschise R_ON este dependentã de valoarea tensiunii aplicate la intrare, de diferensa de potensial dintre V_DD si V_SS si de sarcina pe care debiteazã iesirea.

Poarta de transmisie împreunã cu un inversor formeazã un comutator bilateral (figura 4.6). Circuitul integrat MMC 4016 consine 4 astfel de comutatoare bilaterale. Circuitul MMC 4066, identic pin la pin cu MMC 4016, are o structurã modificatã ce permite obsinerea unei valori constante a rezistensei în starea de conducsie pentru întreaga gamã a tensiunilor de intrare.

Cu porsile de transfer se pot realiza circuite logice. Astfel dacã a=1 si b=1 circuitul din figura 4.7 se comportã ca o poartã SAU. Prezensa rezistensei implicã un consum de putere în regim static dacã mãcar una din porsi este deschisã.

Poarta SAU se poate realiza si fãrã rezistensã, dacã sunt disponibile la terminale si semnalele de comandã suplimentare (figura 4.8).

3. MERSUL LUCRÃRII

Se va studia comportarea porsilor logice CMOS din cadrul circuitelor puse la dispozisie. Se va ridica caracteristica de transfer. Se determinã nivelele logice în cele douã stãri si tensiunile de prag pentru diferite tensiuni de alimentare. Se va micsora tensiunea de alimentare sub 3V si se va ridica caracteristica staticã. Se va analiza influensa sarcinii asupra nivelelor logice ale circuitului. Pentru aceasta rezistensa de sarcinã, R_S, se va conecta la masã si se va mãsura tensiunea V_0H, apoi R_S se va conecta la V_DD si se va mãsura V_0L. Cu aceastã ocazie se va mãsura si rezistensa în conducsie a tranzistoarelor Q_n si Q_p. Se va întocmi schema si se va realiza un circuit pentru verificarea marginilor de imunitate la perturbasii ale circuitelor puse la dispozisie si se vor compara valorile mãsurate cu valorile garantate, tipice si practice pentru diferite tensiuni de alimentare.

Se va analiza funcsionarea inversorului în regim dinamic. Pentru aceasta se aplicã la intrarea circuitului impulsuri cu amplitudinea egalã cu V_DD si se urmãreste rãspunsul, mãsurându-se timpii de comutare în gol si pentru C_S=200pF. Se va analiza modul cum sunt influensasi puterea disipatã si timpii de comutare de variasia tensiunii de alimentare. Pentru aceste mãsurãtori se poate utiliza o schemã de test dupã modelul celei din figura 4.9.

Se va analiza si modul de variasie a puterii consumate în funcsie de frecvensa de lucru.

Se va studia comportarea porsilor de transmisie ca si comutatoare bilaterale pentru transmisia semnalelor analogice. Se va realiza un circuit logic sI cu porsi de transmisie si se va verifica tabelul de adevãr al circuitului.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea rezumativã a caracteristicilor porsii inversoare si a porsii CMOS.

- Configurasia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele de mãsurã, tabele cu mãsurãtori si graficele reprezentând caracteristicile statice ridicate.

- Schema de la punctul 3.3 si tabelul de adevãr.