CIRCUITE LOGICE CMOS
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.
Schema de baza a circuitelor logice CMOS o constituie inversorul CMOS a carui schema este prezentata in fig. 27.1. Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependenta de tensiunea de alimentare VDD; in fig. 27.2 sunt reprezentate cazurile cand VDD > Vpn + Vpp (fig. 27.2.a) si cand VDD < Vpn + Vpp (fig. 27.2.b).
Tranzistoarele MOS complementare sunt caracterizate prin tensiunile de prag Vpn si Vpp si prin factorii de curent ?n si ?p. In continuare se presupune ca sunt valabile relatiile:
Vpn = Vpp = Vp (27.1)
?n = ?p = ? (27.2)
In cazul cand VDD > 2Vp, se defineste o tensiune de transfer a inversorului, ca in fig. 27.2.a, conform relatiei:
(27.3)
unde k este raportul ?n/?p = k = 1.
VoH = VDD (27.4)
VoL = 0 (27.5)
atunci cand circitul functioneaza in gol.
Daca circuitul are o sarcina RS cuplata la masa, tensiunea corespunzatoare nivelului logic "1",VoH va deveni:
(27.6) iar daca aceeasi sarcina este cuplata la tensiunea de alimentare, VDD, tensiunea corespunzatoare nivelului logic "0", VoL, devine:
(27.7)
In aceste relatii s-a presupus ca diferenta dintre VDD si VoH precum si VoL sunt neglijabili in comparasie cu VDD.
Marginile de zgomot, definite conform fig. 27.2.a, vor fi:
MZ1 = VT – VoL = 0,5VDD (27.8)
MZ0 = VoH – VT = 0,5VDD (27.9)
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 0,45VDD.
In cazul in care tensiunea de alimentare, VDD, este mai mica decat 2Vp, se obtine caracteristica de transfer din fig. 27.2.b, cu histerezis.
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 IDD = IDD(vi), prezentata in fig. 27.3. Se absoarbe curen de la bateria de alimentare numai atunci cand Vp < vi < VDD – Vp, ceea ce presupune si VDD > 2Vp.
Se determina valoarea maxima a curentului de alimentare obtinuta pentru vi = VT:
(27.10)
Se remarca dependenta parabolica a varfului de curent de alimentare de tensiunea de alimentare, VDD.
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. 27.4 este prezentat raspunsul circuitului din fig. 27.1, incarcat cu o capacitate de sarcina, CS, la un impuls de comanda cu fronturi ideale, cu amplitudinea egala cu VDD si cu durata suficient de mare.
Considerand ca sunt valabile relatiile (27.1) si (27.2), se obtin urmatoarele expresii pentru timpii de comutare ai circuitului definiti ca in fig. 27.4:
(27.11)
(27.12)
Cu ajutorul inversoarelor CMOS se pot realiza circuite cu diferite functiuni. In fig. 27.5 este reprezentata schema unui multivibrator cu inversoare CMOS pentru care formele de unda in principalele puncte ale schemei sunt desenate in fig. 27.6.
Presupunand ca Rp >> R (Rp 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. 27.1, au rolul de a nu permite tensiunii de intrare sa ia valori in afara domeniului 0 ??VDD), se obtine relatia:
T1 = T2 = 2,2CR (27.14)
Puterea disipata de circuit (deci puterea absorbita de la bateria de alimentare) depinde foarte puternic de valoarea VDD a tensiunii de alimentare, daca VDD > 2Vp.
Stabilitatea formei de unda depinde de stabilitatea, de altfel, foarte buna, a tensiunii de transfer a inversorului CMOS.
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. 27.7, iar caracteristica de transfer in fig. 27.8.
Nivelele logice la iesirea circuitului sunt cele ale inversorului CMOS (eventual incarcat cu sarcina R2 + R1), adica: VoH = VDD si VoL = 0, iar pragurile de basculare vor avea expresiile:
(27.15)
Schema montajului folosit:
Schemele circuitelor realizate in spice:
...