CIRCUITE INTEGRATE CMOS

CIRCUITE INTEGRATE CMOS

1. SCOPUL LUCRĂRII

Se studiază caracteristicile statice si dinamice ale circuitelor integrate CMOS si aspectele specifice ale utilizării circuitelor CMOS.

2. CONSIDERAsII TEORETICE

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

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

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

- 74C/54C - de două ori mai rapidă 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 rapidă HCMOS si seria ACL de trei ori mai rapidă decât HCMOS.

Concomitent cu avantajul principal al circuitelor CMOS ce constă într-un consum extrem de redus (100 nW în regim static pe poartă), seriile CMOS mai prezintă 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 numărul sarcinilor comandate să fie foarte mare (peste 100); în regim dinamic, sarcina de circa 5pF a fiecărei intrări CMOS necesită realizarea unui compromis între numărul sarcinilor comandate si viteză;

- o gamă largă 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 prezentată o pereche de tranzistoare MOS cu canal n si cu canal p, care reprezintă un inversor, elementul fundamental pe baza căruia se pot realiza porsile logice si, deci, toate celelalte funcsii necesare în circuitele logice CMOS.

O tensiune pozitivă de valoare ridicată (+V_DD), adică 1 logic, aplicată pe terminalul comun al grilei deschide tranzistorul MOS cu canal n, Q_n si blochează tranzistorul MOS cu canal p, Q_p, ceea ce face ca iesirea să fie comutată la o valoare coborâtă a tensiunii (V_SS), adică 0 logic.

Similar, o tensiune de valoare coborâtă sau nulă (V_SS), adică 0 logic, aplicată pe grilă va deschide Q_p si va bloca Q_n, iesirea comutându-se la o valoare ridicată a tensiunii (+V_DD), adică 1 logic.

Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependentă de tensiunea de alimentare V_DD. Această caracteristică (figura 4.2) poate fi împărsită în cinci regiuni distincte

în care funcsionarea tranzistoarelor Q_n si Q_p este prezentată 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). Dacă valoarea tensiunii de alimentare V_DD este mai mică decât V_DDmin=V_TN+ V_TP , inversorul va prezenta o caracteristică de transfer cu histerezis (figura 4.3) si circuitul nu va mai putea fi utilizat ca poartă logică. Cum valoarea tipică a tensiunii de prag pentru structurile CMOS standard este:

rezultă V_DDmin=3V, valoarea minimă 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 minimă garantată este V_DD-0.5V (valoarea tipică: V_DD - 0.01V);

- V_0L - nivelul de tensiune la iesire în starea 0 logic. Valoarea sa maximă garantată 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 schimbă. Valoarea minimă permisă este 70% V_DD;

- V_IL - nivelul de tensiune la intrare în starea 0 logic, pentru care iesirea rămâne neschimbată. Valoarea maximă permisă este 30% V_DD.

Marginea de imunitate la pertrurbasii statice pentru o stare logică se defineste ca diferensa dintre nivelul de semnal garantat la iesirea circuitului de comandă de către firma producătoare corespunzător celor mai defavorabile condisii de funcsionare (temperatură, tensiune de alimentare, încărcare, etc.) si nivelul de tensiune cel mai defavorabil pe care circuitul comandat îl mai acceptă la intrare pentru mensinerea la iesire a stării logice dorite.

Marginile de imunitate la perturbasii (zgomot) garantate rezultă 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 producătoare 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 formată din tranzistorul complementar comută în starea de blocare. În consecinsă, în regim static schema nu consumă curent, cu excepsia curentului de fugă prin rezistense de ordinul megaohmilor, rezistensele tranzistoarelor în regim de blocare. Dacă 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 două cauze. În funcsie de mărimea frontului impulsului de comandă ambele tranzistoare MOS complementare se află în regim de conducsie. Pe de altă parte apare necesitatea încărcării sau descărcării capacităsilor parazite de la iesirea circuitului si eventual a capacităsii de sarcină la fiecare tranzisie spre potensialul corespunzător tensiunii de alimentare, V_DD, sau cel al masei, 0V, prin rezistensele de iesire ale circuitului.

În figura 4.4 se poate observa forma răspunsului circuitului inversor încărcat cu o capacitate de sarcină C_S, la un impuls de comandă cu fronturi ideale, cu amplitudine egală cu V_DD si de durată suficient de mare. Cu t_f si t_r s-au notat durata fronturilor de cădere si respectiv de crestere a impulsurilor la iesire.

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

Puterea disipată în regim static este în jur de 0.1 W pe poartă si creste cu temperatura ambiantă de funcsionare. Puterea disipată creste de asemenea în regim de comutare. Cresterea valorii tensiunii de alimentare V_DD, desi măreste viteza de comutare, determină o crestere a puterii totale consumate în regim dinamic conform relasiei:

unde C_PD - reprezintă valoarea capacităsii echivalente a circuitului (dată în catalog);

f - frecvensa de lucru;

P_CC - puterea consumată în regim stasionar.

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

Inversorul CMOS asigură valori aproximativ egale pentru durata celor două fronturi ( si deci si pentru timpii de propagare) datorită simetriei funcsionării circuitului în cele două 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 constă dintr-o pereche complementară de tranzistoare conectate în paralel

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

Când intrarea de control A este în 1 logic si s în 0 logic poarta de transmisie este deschisă, între intrare si iesire apare o rezistensă serie mică, ceea ce permite trecerea curentului în ambele direcsii. Valoarea tensiunii pe intrare trebuie să fie pozitivă în raport cu V_SS si negativă în raport cu V_DD. Când intrarea A este în 0 logic si s este în 1 logic, poarta de transmisie este blocată, între intrare si iesire apărând o rezistensă de valoare foarte mare.

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

Poarta de transmisie împreună cu un inversor formează 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 structură modificată ce permite obsinerea unei valori constante a rezistensei în starea de conducsie pentru întreaga gamă a tensiunilor de intrare.

Cu porsile de transfer se pot realiza circuite logice. Astfel dacă a=1 si b=1 circuitul din figura 4.7 se comportă ca o poartă SAU. Prezensa rezistensei implică un consum de putere în regim static dacă măcar una din porsi este deschisă.

Poarta SAU se poate realiza si fără rezistensă, dacă sunt disponibile la terminale si semnalele de comandă suplimentare (figura 4.8).

3. MERSUL LUCRĂRII

Se va studia comportarea porsilor logice CMOS din cadrul circuitelor puse la dispozisie. Se va ridica caracteristica de transfer. Se determină nivelele logice în cele două stări si tensiunile de prag pentru diferite tensiuni de alimentare. Se va micsora tensiunea de alimentare sub 3V si se va ridica caracteristica statică. Se va analiza influensa sarcinii asupra nivelelor logice ale circuitului. Pentru aceasta rezistensa de sarcină, R_S, se va conecta la masă si se va măsura tensiunea V_0H, apoi R_S se va conecta la V_DD si se va măsura V_0L. Cu această ocazie se va măsura 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 măsurate cu valorile garantate, tipice si practice pentru diferite tensiuni de alimentare.

Se va analiza funcsionarea inversorului în regim dinamic. Pentru aceasta se aplică la intrarea circuitului impulsuri cu amplitudinea egală cu V_DD si se urmăreste răspunsul, măsurându-se timpii de comutare în gol si pentru C_S=200pF. Se va analiza modul cum sunt influensasi puterea disipată si timpii de comutare de variasia tensiunii de alimentare. Pentru aceste măsurători se poate utiliza o schemă de test după 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 adevăr al circuitului.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

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

- Configurasia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele de măsură, tabele cu măsurători si graficele reprezentând caracteristicile statice ridicate.

- Schema de la punctul 3.3 si tabelul de adevăr.