Проектирование лог. ключа в n-МОП базисе с квазилинейной нагрузкой

Логический ключ с квазилинейной нагрузкой.

Электрическая схема ключа:

В логическом ключе с квазилинейной нагрузкой, нагрузочный транзистор должен работать в крутой области. Поэтому на работу такого ключа накладывается условие:

,

где

Тогда при подстановке этих значений в условие, а также после преобразования неравенства, получим:

при этом напряжение смещения затвора нагрузочного транзистора стараются брать не очень большим. Ток протекающий через нагрузочный транзистор описывается выражением:

Для простоты анализа схемы, будем предполагать, что

,

т. е. транзистор работает на границе между крутой и пологой областями. При этом допущении ток нагрузочного транзистора преобразуется в  выражение:

Также для простоты будем считать, что

Совместная ВАХ ключа показана на рис.1. Чтобы построить передаточную характеристику логического ключа, необходимо разобрать работу ключа в трех характерных точках (областях) ВАХ.

1.   

В этой области ключевой транзистор закрыт, значит напряжение на выходе равно уровню логической 1

.

2.   

Ток протекающий через нагрузочный транзистор равен току ключевого транзистора работающего в пологой области:

, при .

Тогда зависимость выходного напряжения от входного, определяется как

 и является линейной зависимостью.

Напряжение между второй и третьей областями, находится при наложении условия работы транзистора на границе между пологой и крутой областями:

.

Приравнивая две последнии формулы, получим граничное напряжение

3.   

Здесь ключевой транзистор работает в крутой области, следовательно

.

Выразить из этой формулы выходное напряжение достаточно сложно, но можно выразить входное напряжение от выходного, а затем проанализировать его.

.

Чтобы сказать какая это зависимость, лучше сначала эту формулу апроксимировать. Т. к. в третьей области напряжения на выходе малы и близки к нулю, то соответствующими членами в уравнении можно пренебречь:

, теперь можно выразить выходное напряжение

 и эта зависимость является гиперболической.

В результате внимательного рассмотрения трех характерных областей работы логического ключа, была построена на рис.2 передаточная характеристика этого ключа.

Полученные характеристики логического ключа с квазилинейной нагрузкой:

Методика расчета параметров компонентов nМОП ключа.

Напряжение источника питания равно

На входе логического элемента действует напряжение:

Пороговое напряжение транзистора при нулевом напряжении затвор-исток выражается из формулы для нахождения помехоустойчивости:

 Максимальный ток, при котором открыты ключевые транзисторы Т1 и Т2 в nМОП ключе, находится из выражения:

Напряжение смещения затвора нагрузочного транзистора (чтобы он работал в крутой области) рассчитывается по формуле:

Для расчета крутизн nМОП ключа, необходимо рассмотреть совместную выходную ВАХ работы этого ключа.  На рис.1 представлена такая совместная ВАХ трех транзисторов: нагрузочного Т3 и двух ключевых транзисторов Т1 и Т2, включенных параллельно, таким образом, что реализуется логическая схема ИЛИ-НЕ. Рассмотрим два случая, обозначенные на графике точками 1 и 2.

Случай 1. Потенциалы на обоих затворах ключевых транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и равны уровню логической 1. Тогда при одинаковых транзисторах Т1 и Т2 ток нагрузочного транзистора Т3 равен:

и он не должен превышать ток указанный в техническом задании. А выходное напряжение ключа должно быть меньше, чем уровень логического 0:

Следовательно, точка 1 будет описываться следующей системой уравнений:

Эту систему можно преобразовать к виду:

Случай 2. В этом случае на одном из ключевых транзисторов действует уровень логической 1, а на другом - уровень логического 0. Поэтому весь ток протекающий через нагрузочный транзистор Т3 равен току протекающему только через один из двух ключевых транзисторов:

причем:

А выходной потенциал не должен превышать указанный уровень логического 0. В результате точка 2 на графике будет описана второй системой уравнений:

Затем эту систему можно привести к уравнению вида:

По этому уравнению можно сразу рассчитать отношение крутизн. Затем из уравнения выведенного в первом случае, после раскрытия скобок, преобразования и приведения подобных, получим уравнение вида:

,

где

тогда решением квадратного уравнения будет:

Воспользовавшись уравнениями из первого случая, находим соответствующие крутизны транзисторов, которые определяются как:

Размеры соответствующих транзисторов nМОП ключа выводятся из формулы для определения крутизны:

где удельная крутизна равна:

На размеры транзисторов накладывается дополнительное условие минимально допустимого размера элемента. Для поликремния эти условия равны:

т.е. при определении размеров канала, одна из двух величин (ширина или длина) должна быть равна минимально допустимому значению (в силу экономии места на пластине), а вторая величина соответственно должна быть больше или равна минимально допустимой. Затем производят округление полученных значений.

Расчет по указанным формулам производится с помощью программы написанной  на языке Паскаль SOLVE.PAS, Текст которой, а также результат работы программы приведены на страницах 1113.

После расчета всех параметров, проводят моделирование nМОП ключа на ЭВМ в среде PSPICE. Программы моделирования и расчета логического ключа, а также значения потребляемой мощности, передаточной и переходной характеристик показаны на страницах 1416. По передаточной и переходной характеристикам определяются соответственно статические и динамические параметры схемы, значения которых сведены в одну общую таблицу на странице 17.

Технологический маршрут изготовления простейшего МДПвентиля с самосовмещенным затвором.

Топологическое проектирование.

Минимизация логической функции в nМОП-базисе.

Минимизацию заданной логической функции F8 производим по карте Карно:

В результате минимизации получаем логическую функцию Fmin, которую преобразуем при помощи операций булевой алгебры в функцию удовлетворяющую nМОП-базису:

Электрическая схема в nМОП-базисе.

В соответствии с полученной логической функции Fmin и заданным видом нагрузочного транзистора, составляется электрическая схема логического nМОП ключа:

Определение параметров логического ключа по графическим характеристикам.

1	2	3