|
CIRCUITE LOGICE CMOS
1. Scopul lucrarii consta in cunoasterea elementelor de baza in utilizarea circuitelor CMOS, efectuandu-se masuratori care sa puna in evidenta avantajele acestei familii de circuite logice, cu largi aplicatii.
2. Schema de baza a
circuitelor logice CMOS o constituie inversorul CMOS a carui schema
este prezentata in fig.1.
Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependenta de
tensiunea de alimentare ; in fig.2 sunt
reprezentate cazurile cand
>
(fig.2.a) si
cand
<
(fig.2.b).
Tranzistoarele MOS complementare sunt caracterizate prin tensiunile de
prag si
si prin factorii
de curent
si
. In continuare se presupune ca sunt valabile
relatiile:
=
=
(1)
(2)
In cazul cand > 2
, se defineste o tensiune de transfer a inversorului, ca
in fig.2.a, conform relatiei:
(3) unde k este raportul
=1.
=
(4),
= 0 (5) atunci cand
circitul functioneaza in gol.
Daca circuitul are o
sarcina cuplata la
masa, tensiunea corespunzatoare nivelului logic '1',
va deveni:
(6) iar daca
aceeasi sarcina este cuplata la tensiunea de alimentare,
, tensiunea corespunzatoare nivelului logic
'0',
, devine:
(7).
In aceste relatii
s-a presupus ca diferenta dintre si
precum si
sunt neglijabili in
comparasie cu
Marginile de zgomot, definite conform fig.2.a, vor fi:
- MZ1 = -
= 0,5
(8)
- MZ0 = -
= 0,5
(9)
Se constata ca
valorile marginilor de zgomot statice, au, teoretic, valori maxim posibile;
pentru circuitele CMOS fabricate se garanteaza o margine de zgomot
statica de cel putin 0,45
In cazul in care
tensiunea de alimentare, , este mai mica decat 2
, se obtine caracteristica de transfer din fig.2.b, cu histerezis.
3. Inversorul CMOS nu
consuma curent de la bateria de alimentare in nici una din starile
logice stationare; daca tensiunea de intrare ia si alte valori
decat nivelele logice, apare un curent absorbit de la bateria de alimentare;
comportarea circuitului este descrisa de caracteristica de alimentare =
(
), prezentata in fig.3.
Se absoarbe curen de la bateria de alimentare numai atunci cand
<
<
-
, ceea ce presupune si
> 2
Se determina
valoarea maxima a curentului de alimentare obtinuta pentru =
:
(10).
Se remarca dependenta parabolica a varfului de
curent de alimentare de tensiunea de alimentare,
4. Inversorul cu CMOS asigura valori aproximativ egale pentru cele doua fronturi (si deci si pentru timpii de propagare) datorita simetriei functionarii circuitului la cele doua sensuri de variatie a tensiunii de iesire.
In fig.4 este prezentat raspunsul circuitului din fig.1, incarcat cu o capacitate de
sarcina, CS, la un impuls de comanda cu fronturi ideale,
cu amplitudinea egala cu si cu durata
suficient de mare.
Considerand ca sunt valabile relatiile (1) si (2), se obtin urmatoarele expresii pentru timpii de comutare ai circuitului definiti ca in fig.4:
- (11)
- (12)
Se remarca
dependenta fronturilor impulsurilor de la iesire si a timpilor
de propagare (pana la atingerea tensiunii de transfer ) de tensiunea de alimentare, constatandu-se scaderea
acestora la cresterea tensiunii de alimentare.
In cazul in care
inversorul CMOS este comandat in impulsuri de frecventa joasa,
curentul consumat de la bateria de alimentare este neglijabil (se consuma
curent numai in intervalul de timp in care tranzistorul MOS, , incarca capacitatea de sarcina). La
cresterea frecventei, intervalul de timp in care tranzistorul MOS,
, este in conductie, incepe sa conteze in
comparatie cu perioada impulsurilor si se deduce relatia:
(13) adica o dependenta
liniara de frecventa impulsurilor de comanda a puterii disipate
de circuit.
5. Cu ajutorul inversoarelor CMOS se pot realiza circuite cu diferite functiuni. In fig.5 este reprezentata schema unui multivibrator cu inversoare CMOS pentru care formele de unda in principalele puncte ale schemei sunt desenate in fig.6.
Presupunand ca >>
(
are rolul de a limita curentul prin diodele de
protectie ale inversorului CMOS care se afla pe intrarea sa; aceste
diode de protectie, nefigurate in fig.1,
au rolul de a nu permite tensiunii de intrare sa ia valori in afara
domeniului 0
), se obtine relatia:
=2,2
(14) .
Puterea disipata de
circuit (deci puterea absorbita de la bateria de alimentare) depinde
foarte puternic de valoarea a tensiunii de
alimentare, daca
> 2
Stabilitatea formei de unda depinde de stabilitatea, de altfel, foarte buna, a tensiunii de transfer a inversorului CMOS.
6. Cu doua inversoare CMOS conectate in cascada se poate
realiza un circuit cu prag si cu histerezis, util pentru prelucrarea
semnalelor de tip analogic (circuit de formare de impulsuri, circuit comparator
de tensiune). Circuitul este desenat in fig.7,
iar caracteristica de transfer in fig.8.
Nivelele logice la
iesirea circuitului sunt cele ale inversorului CMOS (eventual
incarcat cu sarcina
), adica:
=
si
= 0, iar pragurile de
basculare vor avea expresiile:
(15) ,
(16).
1. Se identifica circuitul din fig.9 care contine un circuit integrat cu inversoare CMOS pentru care legaturile la pini sunt date in anexa. Alimentarea circuitului se poate face cu tensiuni de alimentare de pana la 20 V.
2. Se traseaza
caracteristica de transfer a unui inversor CMOS pentru = 12 V, variind
tensiunea de la intrare intre 0 si 12 V. Se determina nivelele logice
in cele doua stari (
si
), tensiunea de transfer si marginile de zgomot statice,
marimi definite conform fig.2.a.
Se determina tensiunile de prag ale celor doua tranzistoare MOS, conform fig.2.a si se va adopta, in continuare, ca tensiuni de prag identice (in valoare absoluta) pentru cele doua tranzistoare media aritmetica a marimilor determinate anterior.
Se verifica (3), (4) si (5) pentru tensiunea de transfer a circuitului si pentru nivelele logice ale inversorului.
3. Se traseaza
caracteristica de transfer pentru < 2
. Tensiunea de intrare se va regla intre 0 si
si invers.
4. Se va determina
influenta sarcinii asupra nivelelor logice ale circuitului. Pentru
aceasta, rezistenta de sarcina, , se va conecta la masa si se va masura
tensiunea
(cu intrarea la
masa); apoi,
se va conecta la +
si se va masura
(cu intrarea la +
). Din relatiile (6) si (7) se vor determina
si
si, in continuare,
se va adopta pentru
media aritmetica
a valorilor astfel determinate.
5. Pentru = 12 V, se va
determina caracteristica de alimentare
=
(
), masurand curentul de alimentare (cu un instrument de
curent continuu conectat in serie cu bateria de alimentare) pentru tensiune de
intrare varialbila, aplicata pe intrarea unui inversor CMOS
(celelalte inversoare nu consuma curent, unul dintre tranzistoare fiind
blocat).
5.1 Se vor determina
valorile varfului de curent de alimentare pentru = 6, 8, 10, 12, 14
si 16 V si se vor compara cu valorile calculate curelatia (10)
in care
si
au valorile determinate
anterior. Se traseaza curba
(
6. Se alimenteaza
circuitul cu = 12 V si se
aplica impulsuri de comanda de amplitudine
(aceste impulsuri se
obtin cu un inversor cu tranzistor bipolar de comutatie, ca in fig.9) si cu durata si
perioada suficient de mari.
Se vizualizeaza
formele de unda de la iesirea circuitului si se
masoara timpii de comutare, verificandu-se relatiile (11)
si (12) pentru fronturile impulsurilor de la iesire si pentru
timpii de propagare, definiti ca in fig.4.
Se va lua = 200 pF. Se va lua in
considerare si capacitatea de intrare a osciloscopului.
6.1 Se determina
dependenta timpilor de comutare de tensiunea de alimentare. Pentru se vor lua valorile 6,
8, 10, 12, 14 si 16 V. Determinarile se vor face pentru o capacitate
de sarcina
= 200 pF.
6.2 Se mareste
frecventa impulsurilor de comanda astfel ca perioada lor sa fie
de circa 5 ori mai mare decat durata frontului impulsului rezutat la
iesirea inversorului. Se masoara curentul absorbit de la sursa
de alimentare pentru valorile tensiunii de alimentare prezentate mai sus; se
efectueaza produsul dintre puterea absorbita de la tensiunea de
alimentare si timpul de propagare si se reprezinta grafic
dependenta acestuia de tensiunea de alimentare. Se va lua = 200 pF.
6.3 Pentru = 12 V, se aplica
impulsuri cu factor de umplere 0,5 si cu frecventa variabila. Se
masoara curentul de alimentare
ca functie de
frecventa, si se calculeaza puterea absorbita de la
bateria de alimentare; se verifica relatia (13).
Se realizeaza circuitul multivibrator din fig.5, cu = 1 MW
= 12 kW
si
= 10 nF si se
alimenteaza cu
= 12 V. Se
masoara formele de unda in punctele A, B, C si D ale
schemei si se masoara duratele
si
, factorul de umplere al impulsurilor si curentul de
alimentare. Se verifica relatia (14).
Se modifica
tensiunea de alimentare la = 15 V si se
repeta masuratorile. Sa se interpreteze rezultatele.
8. Se realizeaza
circuitul cu prag si cu histerezis din fig.7
si se alimenteaza cu = 12 V. Se
traseaza caracteristica de transfer si se determina nivelele
logice de la iesire si tensiunile de prag. Se verifica
relatiile (15) si (16).
Se aplica semnal
sinusoidal cu amplitudinea mai mare decat si se
vizualizeaza forma de unda la iesire. Se masoara
nivelele logice si fronturile impulsurilor obtinute la iesire.
9. Sa se deduca expresiile caracteristicii de transfer si a caracteristicii de alimentare pentru inversorul CMOS din fig.1 (desenate in fig.2.a si 3).
Sa se deduca expresiile timpilor de comutare ai inversorului CMOS, relatiile (11) si (12), in conditiile specificate in lucrarea de laborator.