home - въведение - колекция - аналогова -
1 2 3 4 5 6
ИМПУЛСНИ И ЦИФРОВИ УСТРОЙСТВА
Лабораторно упражнение 2 (8 - 20 март 2004)
MOS и CMOS логически схеми
ВЪВЕДЕНИЕ. Ако си спомняте, на миналото занятие се занимавахме с абстрактни логически функции: първо разгледахме начините на представяне; след това упражнихме техники за минимизиране и накрая ги изследвахме на логическо ниво. Все пак предполагам, че като млади хора и любознателни студенти (наистина ли е така?), ви е "глозгало" любопитството да разберете какво има вътре в тези логически блокчета, как са направени те? Ето, на днешното занятие дойде време да разберете това ... Но не очаквайте да получите нещо наготово, защото както се уговорихме в началото, ще трябва сами да си построим схемите. Добре тогава, нека да започнем с най-елементарното блокче - инвертора. Между впрочем, защо ли инверторът е по-прост от повторителя? Да ..., това трябва тепърва да разберем ....
Всичките тези устройства работят с входни и изходни напрежения така, че в най-общ смисъл те са преобразуватели на напрежение в напрежение (интересно защо все пак предпочитаме напрежението, а не тока като носител на информацията в нашите схеми?). Е точно такива устройства "бистрим" в момента с колегите ви от ФКСУ на семинарно упражнение 3 по дисциплината със странно име СКЕ (това за тях играе ролята на една аналогова електроника, която и вие ще изучавате по-нататък). Занапред често ще прескачаме в тяхната страница и ще черпим идеи за построяването на нашите цифрови устройства. Те пък вероятно ще "надничат" в нашата страница за да намерят приложение на аналоговите устройства, които сами са "изобретили". Това сътрудничество се основава на факта, че няма чисто аналогови и цифрови схеми - те са едновременно и едното и другото, и ние просто ги принуждаваме да бъдат такива, каквито ни трябват. Тогава да започваме да строим - NMOS ... PMOS ... CMOS ...
1. ПОСТРОЯВАНЕ НА ЛОГИЧЕСКИ ЕЛЕМЕНТИ. Както обикновено, започвме с изграждането най-простия едновходов елемент. След това го обогатяваме с допълнителни входове и така го превръщаме в 1-, 2- и многовходов елемент. На този етап ще изследваме схемите статично като снемаме техните предавателни характеристики.
1.1. ЕДНОВХОДОВ ЕЛЕМЕНТ (ИНВЕРТОР). Първата част на занятието ще развием в три последователни стъпки, които ще ни покажат логиката на развитието на базовите логически схеми, реализирани с MOS транзистори. На всяка една стъпка ще изследваме и сравняваме действието на съответните елементи при две състояния - без товар (на празен ход) и с товар. Но нека първо да разкрием каква е най-първичната идея, заложена в тези схеми.
Логическият елемент - умишлено претоварен усилвател? По същество логическите схеми представляват активни преобразуватели напрежение-напрежение, които всъщност са аналогови схеми. Така например, в аналоговата схемотехника колегите ви от ФКСУ ги наричат усилватели и когато им подават входен сигнал много внимават да не ги претоварят (т.е., там те работят в линейния участък на предавателната си характеристика). Тук обаче, в цифровата схемотехника, ние умишлено им подаваме големи входни сигнали за да ги претоварим (наситим) и принудим да работят в двете си крайни състояния (високо/ниско напрежение, лог. "1"/лог. "0"). Така, че един логически елемент всъщност представлява ... умишлено претоварен усилвател. Вие как мислите? А дали е възможно и обратното - логически елемент в ролята на усилвател? Добре, да продължим с размишленията ...
Електрически управляван делител на напрежение. В пасивните преобразуватели напрежение-напрежение входното напрежение (е, по-правилно е да кажем ток или енергия) преминава през пасивния елемент и отслабено се явява в изхода. В активните схеми обаче входното напрежение само контролира, управлява, регулира или най точно казано - затихва (?!?) едно постоянно (захранващо) напрежение с цел да се получи изменяемо изходно напрежение (в какви граници?). За целта трябва да включим един регулиращ елемент (регулируем резистор), който просто ще изхвърли в околното пространство "излишната" енергия. Все пак не мислите ли, че това е доста странна идея?
Един променлив резистор обаче не е достатъчен за да регулираме напрежение, с него можем да регулираме само ток. За да регулираме напрежение ни трябват два резистора (поне един от тях - променлив), които да свържем последователно в схемата на един делител на напрежение. Ако можем да управляваме съпротивлението на променливия резистор с напрежение, получаваме устройството, което ни трябва - активен преобразувател напрежение-напрежение.
В ролята на електрически управляван резистор нека да вземем (с известна уговорка, вие ще кажете каква?) познатия ви от курса по ППЕ MOS транзистор. Като го слагаме на различни места в делителя на напрежение нека "изобретим" всичко възможни варианти на така необходимото ни устройство.
Стъпка 1: NMOS инвертор - заменяме R2 с един NMOS транзистор. Казано по-научно :),
свързваме последователно преобразуватели напрежение-ток (NMOS) и ток-напрежение (RD). Къде се явява "истинския" изход на тази схема? Каква щеше да е зависимостта между изходната и входна величина в този случай - права или обратна (т.е., неинвертираща или инвертираща е схемата)? Какво ни пречи да го "отнемем" от там (нещо с общата маса ще да е свързано май ...)? Какъв трик прилагаме за да решим проблема? В резултат на това, каква става зависимостта между изходната и входна величина на схемата (т.е., инвертираща или неинвертираща е сега схемата)? Как влияе стойността на резостора RD върху наклона на характеристиката (спомнете си, че това всъщност е един усилвател)?
Добре, това беше работа на празен ход. Сега да натоварим NMOS инвертора и да видим как ще се държи.Като товар използвайте някой от резисторите, "лош" волтметър (например стрелкови, с вътрешно съпротивление 20 k) или светодиод (с допълнителен резистор 330 ома). Първо включете товара традиционно, към маса. Как се държи натоварения NMOS инвертор, най-вече в състояние логическа единица? Добър източник на напрежение ли е той (сравнен със захранващия източник на напрежение)? Не сме ли направили от един добър източник - лош източник на напрежение (и ако е така, кое му е "лошото")? Сега включете товара по-нетрадиционно, към "плюса". Сега пък как се държи натоварения NMOS инвертор, особено в състояние логическа нула ? Ще бъда доволен, ако ми отговорите (това най-малкото означава, че сте присъствали на това упражнение).
Стъпка 2: PMOS инвертор. Заменяме R1 с един PMOS транзистор, т.е разменяме местата на преобразувателите напрежение-ток (NMOS) и ток-напрежение (RD) и отново изследваме схемата на празен ход и под товар. Каква е сега зависимостта между изходната и входна величина - обратна или права? А ... виждаме нещо странно ... получи се същата характеристика ... но как е възможно това?!? Добре, нека да помислим. Кое всъщност е входа на тази схема? Къде се прилага входното напрежение? Можем ли да го приложим там? Не? Защо, какво ни пречи? Какъв трик прилагаме за да решим този проблем? Не направихме ли вече нещо подобно в изхода на NMOS инвертора за да решим подобен проблем? Нека пак да натоварим схемата за да разберем как се държи отново тя.
За разнообразие сега първо включете товара към "плюса". Как се държи схемата, най-вече в състояние логическа нула? Добър източник на напрежение ли е тя? Сега включете товара към "масата". Сега пък как се държи натоварения PMOS инвертор, особено в състояние логическа единица ? Ще се радвам пак, ако ми отговорите.
Стъпка 3: CMOS = NMOS + PMOS инвертор. Надявам се вече осъзнахте, че NMOS и PMOS инвертора се "разминават" в поведението си спрямо товара - където едната схема е "добра", другата е "лоша" и обратното. И в живота често е така: например един човек е с развита физика, но умствено слаб и обратното - друг е умен, но физически слаб. Други комбинации: красив(а), на беден(а) и обратното - богат(а), но грозен(а) и т.н. Във всичките тези случаи проблемът се решава елегантно чрез идеята на допълването (май в това е смисъла на работата в колектив и въобще на обществото). Щом е така, да приложим комплементарната идея (от complementary) за решаване и на нашия проблем. Това означава от един елементарен NMOS и PMOS инвертор да сглобим съставен CMOS инвертор.
Казано с други думи, заменяме R2 с един NMOS транзистор, a R1 - с PMOS транзистор, т.е сега ще променяме едновременно съпротивлението и на двата променливи "резистора" (защо в кавички?). На какво ви прилича това? Може би на един потенциометър? Сега да изследваме схемата на празен ход. Но ... защо е толкова стръмна предавателната характеристика на CMOS инвертора? Дали причината е само в това, че меним едновременно нещо в числителя и в знаменателя на една дроб? Или има нещо доста по-дълбоко и интересно, свързано с поведението на нелинейните елементи (добре, ще подскажа още) по-специално на токостабилизиращите двуполюсници? И колегите ви от ФКСУ (а и вие догодина) ще се сблъскате с феномена на транзисторните схеми с динамичен товар и ще разсъждавате върху тези въпроси. Е, ако няко още сега ми отговори на този въпрос, ще ме направи безкрайно щастлив:). Да, схемата се държи чудесно на празен ход, но да видим дали е така под товар.
Почнете да товарите комплементарната схема с товар към маса, "плюс", средна или произволна точка на захранването (какво пък е това и откъде можете да го вземете?) или към каквото се сетите (е, все пак в рамките на захранващото напрежение), в каквото и състояние да се намира схемата ("единица" или "нула"). Как се държи тя сега и защо? Сравнете снетата предавателна характеристика с тези на NMOS и PMOS инвертора (наложете ги една върху друга).
1.2. ДВУВХОДОВИ ЕЛЕМЕНТИ (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) . Във втората част на занятието ще разширим елементарните MOS структури от първата част за да построим по-сложни, многовходови логически елементи.
Стъпка 1: И-НЕ логически елемент. Включваме паралелно няколко NMOS транзистора.
Стъпка 2: ИЛИ-НЕ логически елемент. Включваме последователно няколко NMOS транзистора.
Стъпка 3: CMOS = NMOS + PMOS инвертор. Включваме паралелно/последователно няколко NMOS транзистора в долната част и последователно/паралелно няколко PMOS транзистора в горната част. Защо?
2. ДИНАМИЧНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЛОГИЧЕСКИ ЕЛЕМЕНТИ.
1 2 3 4 5 6
home - въведение - колекция - аналогова
