Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Ключи на полевых транзисторах

Важным направлением развития цифровой электроники является создание логических элементов на базе полевых структур. Для этих целей  были использованы следующие структуры:

Металл – Окисел – Полупроводник (МОП). МОП – структура, представляет собой следующее:

Если = 0, то положительные заряды будут находиться в этом положении и между стоком и истоком отсутствует канал .

 сток-исток – появление канала, ширина которого зависит от приложенного напряжения, следовательно появляется . Такая структура обладает важным преимуществом управления каналом не с помощью тока, а с помощью напряжения, а значит энергопотребления минимальны.

Недостаток: образующийся канал имеет достаточно высокое омическое  сопротивление канала. В ранних структурах оно порядка единиц КОм, в современных – десятки  сотни Ом. Эти особенности вносят и особенности в работу ключей, созданных на таких структурах. Рассмотрим эти особенности на примере данного полевого транзистора с резистивной нагрузкой:

Выходная характеристика транзистора:

Из рисунка: выходные характеристики имеют две качественно разных области:

I – триодная область. Если взять  → мало.

II – пентодная; → велико.

Нагрузочная характеристика: как видно из линии нагрузки, вторая особенность в зависимости от напряжения на затворе осуществляется переход из пентодной области в триодную (напряжение из точки А в точку В). При этом напряжение открытого ключа к нулю свести практически не возможно, т.е. если данный ключ использовать в логических схемах, то надо подбирать транзисторы с такими выходными характеристиками, чтобы напряжение открытого ключа   было меньше, чем максимальное допустимое значение уровня логического нуля.

Чтобы устранить данные недостатки, существует два основных приема:

1) Ключ с динамической нагрузкой:

Рассмотрим принцип его работы с помощью комбинированных выходных характеристик:

Качественный анализ выходных характеристик (см. стрелки) указывает на то, что с ростом напряжения на входе ключа транзистор  из высокоомного состояния переходит в низкоомное (переход А → В). С другой стороны более резкое изменение переводит второй транзистор  из триодной области в пентодную (наоборот), что эквивалентно резкому росту нагрузки . Тем самым, доводя выходное напряжение открытого ключа практически до нуля.

Второе преимущество: когда , сопротивление - мало (триодная область) (т. В'), что обеспечивает хорошую нагрузочную способность.

В-третьих, такой ключ оптимально технологичен для интегрального исполнения.

2) Ключ на комплиментарных парах (КМОП-технология):

В данном ключе используется два транзистора с разными типами канала, => рост входного напряжения открывает транзистор , и автоматически уменьшает канал транзистора , и наоборот. В результате такой симметрии получается идеальная переходная характеристика:

Использование КМОП-структур приводит к идеальной характеристике (благодаря симметрии).

Область 1 – область, где один из транзисторов имеет не бесконечно большое внутреннее сопротивление. В т. А сопротивления каналов обоих транзисторов равны.

Таким образом, такая структура полностью устраняет недостатки всех предыдущих ключей, и как видно из графика, только в области 1 потребляет ток от источника ЭДС.

Так как  и  (на графике) => интегральные схемы, собранные по КМОП-технологии, обладают наивысшим энергосбережением.

Единственный недостаток таких устройств – меньшее быстродействие по отношению к ТТЛ-структурам.

Базовые элементы КМОП-логики

Российские эквиваленты:

К 176, К 561, К 564.

В качестве базовых элементов здесь используются следующие (рассмотрим на примере двухвходовых):

Рассмотрим логику работы такой структуры на примере таблицы истинности, при условии, что:

Логическая «1» → +E B

Логический «0» → О B

Примечание

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

,- заперт; ,- открыт

,- заперт; - открыт

,- заперт; - открыт

,- открыт; ,- заперт

Как видно из таблицы, реализуется логическая операция ИЛИ – НЕ.

65

Элемент И-НЕ:

В рамках серии КМОП-структур, оказалось удачным и создание другого базового элемента (элемента И-НЕ).

Рассмотрим его схемотехнику на примере двух входных элементов:

Построим таблицу истинности для данного логического элемента:

 

Примечание

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

0

,- закрыты; ,- открыты

,- закрыты; - открыты

- закрыты; ,- открыты

, - открыты; ,- закрыты

Как видно из таблицы, действительно  => И-НЕ.


заточка керамических ножей samura