пор

Как следует из рис. 4.3, ток через конденсатор равен току транзистора, поэтому

)U{t)-\-UHt), (4.5)

Решая это уравнение относительно U{t) (выходное напряжение на конденсаторе) и нормализуя результат, получим

(0 2.-/

\-\-e

-tlx

где x)==Clgm\ Ят =-р(/з-f/nop); f/i = f/з-f/nop. На рис. 4.5 для сравнения приведены график зависимости (4 6) и экспонента Выходное напряжение V[t) нормализовано относительно напряжения Uu определяющего границу между крутой и пологой областями. При = 0 напряжение на конденсаторе равно f/i, или 1 в нормализованных координатах.

Графики на рис. 4.5 позволяют сравнить между собой процесс разряда одного и того же конденсатора через МОП-транзистор, постоянный резистор с сопротивлением R = Xlg и генератор тока, равного (-p/2)(f73-f/nop). Сопротивление R определяется начальным наклоном вольтамперной характеристики МОП-транзистора (вблизи начала координат). Из рисунка

Расчет времени переключения может быть существенно упрощен соответствующим выбором нормализующей постоянной времени, в качестве которой здесь принята величина С gm- В этом случае для расчета времени включения определяется лишь соответствующий коэффициент, величина которого может меняться от 2,2 до 18. С помощью введенного понятия постоянной времени проводится аналогия между МОП-транзистором и линейной RC-цепью, в которой сопротивлению R соответствует величина 1 -P(f3-fnop).

В разд. 3.2 это сопротивление канала рассмотрено довольно подробно. Оно определяется начальным наклоном вольтамперной характеристики (вблизи Uc = 0) при заданном f/g. На рис. 4.6 начальный наклон вольтамперной характеристики определяется индексом R.

На том же рисунке показан и менее удобный выбор сопротивления, входящего в постоянную времени. Статическое сопротивление Ri равно напряжению питания, деленному на ток короткого замыкания; хотя и в этом случае получается правильный ответ (при выборе соответствующего коэффициента), однако расчет оказывается неудобным и более сложным.

0,1-

Рис. 4.5. Графики, иллюстрирующие разряд одного и того же конденсатора через МОП-транзистор с заземленным истоком (крутая область характеристик), через постоянный резистор и генератор тока,

Л -изменению напряжения с 10%-ного до 90%-ного уровня соответствует 2,74т; (т = C/gm), gm =

= -P(f/3-f/nop). Б -изменению напряжения с Ю^о-ного до 90%-ного

уровня соответствует 0,8т; / = - у (f/g - UuopY-

iB - изменению напряжения с 10%-ного до 90%-ного уровня соответствует 2,2т; (т = /?С).

ВИДНО, ЧТО время разряда конденсатора через МОП транзистор больше времени разряда через сопротивле ние R и через генератор тока. Это объясняется тем, что величина сопротивления R определяет наименьшее значение переменного сопротивления канала МОП-транзистора, а генератор тока, равного по величине начальном}

с = 3-пор

Граница меж^ду, крутой а пологой областями характеристик

Рис. 4.6.

току разряда, всегда обеспечивает более быстрый разряд конденсатора. В начале разряда статическое сопротивление МОП-транзистора R равно 2R. По мере уменьшения напряжения на стоке до нуля статическое сопротивление транзистора уменьшается от Rx до R. В связи с этим разряд конденсатора через МОП-транзистор происходит быстрее, чем через сопротивление R\. На рис. 4.6 приведены для сравнения вольтамперные характеристики МОП-транзистора, постоянных резисторов R и /?1 и генератора неизменного тока.

Построенным на рис. 4.5 графиком легко пользоваться. Время переключения обычно определяется от 90Ясного > ровня до 10%-ного. Проектируя точки 0,9 и 0,1 нормализованной кривой на горизонтальную ось, получим нормализованное время переключения 2,74, т. е

вкл=2,74т. Таким образом, для определения времени переключения в крутой области характеристик необходимо лишь подсчитать постоянную времени x = C/gni.

Для проверки соотношения (4.6) производилось измерение времени переключения в схеме, приведенной на рис. 4.3. Влияние паразитной емкости на результаты измерения устранялось выбором в качестве нагрузки конденсатора с достаточно большой емкостью. Для того

1 10

Рис. 4.7.

пор=-3,54в; P=\S4мкмо/в; -измеренные значения.

чтобы рабочая точка не вышла за пределы крутой области, напряжение питания устанавливалось равным f/g- - fnop (напряжение Ui на рис. 4.4).

С помощью емкостного моста была измерена емкость конденсатора С = 0,004 мкф. Далее были измерены параметры транзистора. По двум измеренным точкам был построен график зависимости -/с = /(з) (рис. 4.7), Из этого графика была найдена величина f/nop- По найденному [/пор и измеренному U3 из соотношения /с = = (~Р/2)([/з-f/nop) определялась постоянная транзистора р, которая оказалась равной 184 мкмо/в. Из уравнения (4.6) при [/з= -10 в (амплитуда импульса) получаем:

= - (-10 -f 3,54). 184 = 1190 мкмо.

Далее находим постоянную времени

С 0,004-10-6 -

1190.10-6 =3,35 мксек.

Из графика на рис. 4.5 находим расчетное время включения 2,74т, или

2,74 X 3,35 мксек = 9,2 мксек.

На рис. 4.8, а приведены эпюры входного и выходного напряжений. Большое время выключения на выходе объясняется большой постоянной времени заряда

1Г

Выключение

Включение

6,5 мксек

Q Включение а б

Рис. 4.8. Сигналы на выходе инвертора. Масштаб по горизонталям: а - 1 мсек/дг гение; б - 1 мксек!да гение.

(А;С=100 /со.д^Х0,004 мкф). При появлении на входе отрицательного 10-вольтового импульса напряжение на выходе достигает нулевого уровня На рис. 4.8, б в увеличенном масштабе показано полученное экспериментально изменение выходного напряжения во время включения транзистора. Как видно из рисунка, время включения, которому соответствует изменение напряжения от 10%-ного уровня до 90%-ного, равно приблизительно 6,5 мксек,

2. Схема инвертора с транзистором в нагрузке при соединении подложки с истоком. Пологая область характеристик. В ИС в качестве нагрузочного сопротивления удобно использовать МОП-транзисторе). На рис. 4.9, а-в приведены соответственно принципиальная схема инвертора с транзистором в нагрузке, эквивалент-

) См. разд. 5.1.

пая схема инвертора и совмеш.енное семейство вольтамперных характеристик управляющего и нагрузочного транзисторов

Входной импульс

.- Вход

Нагрузочный транзистор

Выход

Переменный резистор

УпраВлтш,ай транзистор

Вход J.

Упрадлятщий 4--транзистор

Нагрузочная прямая постоянного резистора, / действующее напрян^ение-С/п^щ - t/nop

напряжение^ и

Иагрцзочиая кривая моп -транзистора, райотающего в пологой области характеристик

Рис. 4.9. Заряд конденсатора через нагрузочный транзистор, работающий в пологой области характеристик, а-инвертор с МОП-транзистором в нагрузке, исток соединен с подложкой; б - эквивалентная схема нагрузки; в - вольтамперные характеристики управляющего и нагрузочного транзисторов, а также линейного резистора.

При включении управляющего транзистора Тр1 конденсатор Си (рис. 4.9, а) полностью разряжается. При выключении Тр1 конденсатор Сц заряжается через