Integrované obvody CMOS - Ročníková práce Elektrotechnologie

Obr.2. Pracovní podmínky invertoru

Obr.3. Průběhy přenosových charakteristik

Uvedené průběhy platí ovšem jen pro statické pracovní podmínky.Při dynamických podmínkách je velikost proudu závislá na rychlosti změny vstupního napětí UI a na kapacitní zátěži výstupu.Během rychlé záporné změny vstupního napětí z napětí UDD na potenciálu země,existuje sice určitý časový interval, kdy jsou oba tranzistory otevřené, ale dostatečně velká kapacita udrží vstup na potenciálu země, takže tranzistorem T1 prochází jen velmi malý proud.

Stejně jako o obvodů NMOS a PMOS lze využít kapacity řídící elektrody k přechodnému zapamatování informace, čímž se podstatně zmenší počet tranzistorů v jednotlivých vstupních posuvných registrech.

Na obr.4 je příklad průběhů zaručených mezí rušení při nejhorších podmínkách.

Obr.4. Průběhy mezí rušení

Maximální přepínací kmitočet je závislý na rychlosti nabíjení a vybíjení zatěžovacích kapacit přes odpory vodivých kanálů P a N jednotlivých tranzistorů.Protože odpor vodivého kanálu se zmenšuje při větším napájecím napětí UDD, maximální přepínací kmitočet se zvětšuje úměrně s velikostí rozdílu UDD- UT.Při malém napětí UDD je proto maximální dosažitelný přepínací kmitočet velmi ovlivněn napětím UT.

Na obr.5 je příklad závislosti přenosového zpoždění invertoru CMOS na napětí UDD při různé kapacitní zátěži výstupu.

Obr.5. Závislost přenosového zpoždění invertoru

Na obr.6, 7 jsou příklady závislosti přenosového zpoždění na zatěžovací kapacitě výstupu a na teplotě okolí.

Obr.6. a obr.7. Příklady závislostí přenosového zpoždění

Obr.8. Příklad odezvy výstupního napětí. Větvení výstupu je omezeno jen jeho kapacitní zátěží.

3.0 Ztrátový výkon invertoru CMOS

Skládá se ze čtyř složek :

1. Stejnosměrný ztrátový výkon – je závislý na velikosti svodových proudů a

napájecího napětí a je zanedbatelný.

b) Dynamický ztrátový výkon – vzniká při nabíjení a vybíjení výstupního

zatěžovacího kondenzátoru CL

je určen vztahem –

PC = CL.U2DD.f

c) Dynamický ztrátový výkon – vzniká nabíjením a vybíjením vnitřních kapacit

invertoru CMOS

je určen stejným vztahem jako v případě b

d) Dynamický ztrátový výkon – vzniká současným otevřením obou tranzistorů

invertoru CMOS

je určen vztahem –

PT = 0,5(UDD – 2UT).IDmax(tTLH + tTLH).f

Ztrátový výkon je řádově několik mikrowattů a k zajištění spolehlivé činnosti musí napájecí zdroj dodávat poměrně velký přechodový výkon.Celkový ztrátový výkon se zvětšuje lineárně v závislosti na kmitočtu (obr.9).

Obr.9. Celkový ztrátový výkon

4.0 Dvousměrový CMOS spínač

Skládá se z paralelně zapojených tranzistorů s kanálem typu P a N. Spínač se řídí opačnými úrovněmi napětí na řídících elektrodách.Při úrovni H (UDD) na řídící elektrodě G1 a na úrovni L (0 V).Na G2 je spínač otevřený a při opačných úrovních je zavřený.Odpor zavřeného spínače je 109 až 1012Ω.Odpor otevřeného spínače mezi vstupem a výstupem je závislý na velikosti vstupního napětí, na rozdílu napětí mezi substráty a na velikosti proudu procházejícím mezi vstupem a výstupem. V zapojení na obr.10 je substrát tranzistoru s kanálem typu N na stálém napětí USS a substrát tranzistoru s kanálem typu P je na stálém napětí UDD.Při vstupním napětí UI = UDD je otevřený tranzistor s kanálem P a tranzistor s kanálem N je zavřený, protože UH – UI< UT. Při UI = 0 V jsou pracovní podmínky opačné.V určitém rozsahu vstupních napětí UI jsou otevřené oba tranzistory a výsledný odpor závisí na odporech jednotlivých tranzistorů.Odpor otevřeného spínače (obr.19) se stálým napětím substrátu je řádově několik set ohmů(Ω) až několik kiloohmů(kΩ) a maximum odporu je velmi výrazné i při velkém napětí UDD.