Інвертор КМОН

БАЗОВІ ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ НА ОСНОВІ КМОН-КЛЮЧІВ

Повна еквівалентна схема інвертора наведена на рис. 2.21.

Безпосередньо функцію інвертора, аналогічного рис. 2.11, виконують транзистори VT1 та VT2. У кожному зі станів інвертора один з транзисторів закритий, і прохідний струм практично дорівнює нулю. Тому U ¹_ВИХ» E; U ⁰_ВИХ» 0. Споживана потужність також практично дорівнює нулю, адже вхідний опір наступної мікросхеми (як навантаження інвертора) визначається величиною 10¹²…10¹⁴ Ом. Характерною особливістю КМОН-інверторів є виключно висока температурна стабільність. Коливання температури в межах -55…+125°С приводять до зміни окремих параметрів ключа не більш ніж на 5%, тоді як вказані зміни температури приводять до зміни параметрів ТТЛ більш ніж на 40%.

Суттєвий недолік КМОН-інверторів полягіє в їх надзвичайній “чутливості” до статичної електрики. Фізично це явище пояснюється тим, що затвор розміщується на дуже тонкому шарі діелектрика (товщиною близько 1 мкм), який одночасно виступає ізоляційним матеріалом у паразитній ємності С (рис. 2.21) між затвором та підкладкою. Ємність конденсатора (С = 2…15 пФ у залежності від серії) приводить навіть при невеликих накопичених зарядах, яким нікуди стікати, до високих пробивних напруг. Діоди на вході та виході ключа призначені для захисту інвертора. Діоди VD1…VD3 захищають ізоляцію затвору від пробою. Діод VD1 (лавинного типу) має пробивну напругу 25 В, а VD2 і VD3 – 50 В. Захисний резистор R = 200 Ом – 2 кОм не допускає швидких змін напруги на конденсаторі С, захищаючи тим самим попередній каскад від імпульсних навантажень. Діоди VD4…VD6 захищають вихід інвертора від можливого пробою. Діод VD4 має пробивну напругу 50 В, VD5 – 25 В. Діод VD6 захищає ключ від можливої зміни полярності напруги живлення.

Охоронні діоди VD2, VD3 разом з діодами VD4, VD5 створюють діодний міст, у діагоналі якого знаходиться джерело живлення. Всі діоди перебуватимуть у закритому стані до того часу, поки напруга на вході не перестане задовольняти умові:

– 0,7 В £ U _вх £ U_п + 0,7 В. (2.20)

Якщо вхідна напруга виходить за межі, визначені (2.20), то при низькому внутрішньому опорі джерела живлення струм через охоронні діоди може стати більшим максимально допустимого І _МАКС.Д = 10 мA, що призведе до їх виходу з ладу. Тому реально використовується обмеження величини струму на рівні 1…2 мA, що забезпечується установкою зовнішнього резистора R _З . При цьому зросте постійна часу заряду вхідного конденсатора t = (R ₃ + R) C, яка впливає на швидкість перемикання ключа.

У ряді спеціальних схем (564ЛН2 – шість буферних інверторів, аналоги провідних західних фірм-виробників 4069BPC, HCF4069UBC1, …; 564ПУ2 – шість перетворювачів рівня, відповідні аналоги провідних західних фірм 4050BDC, HCC4050BD, …) передбачена схема захисту, що допускає перевищення вхідної напруги над напругою живлення.

Існує ще одна причина, яка вимагає уважного відношення до напруги живлення. При високих напругах живлення можливе значне зростання струму через мікросхему, і можливе її пошкодження. Розглянута структура може спрацьовувати при наявності в пристроях, що її використовують, високочастотних імпульсів. Тому в таких ситуаціях рекомендується напругу живлення подавати раніше, ніж керуючий сигнал.

У динамічних режимах ключ проходить через стан, коли обидва транзистори відкриті. При цьому в мікросхемі виникає імпульс прохідного струму. Послідовність імпульсів прохідного струму створюватиме динамічний струм ключа і мікросхеми. Його величина залежить від тривалості фронтів вхідних імпульсів, швидкодії самого ключа, частоти вхідних імпульсів. Для зниження величини динамічних струмів, зниження величини t _З , а також зниження величини опору канала відкритого транзистора в ряді мікросхем після описаного ключа встановлюють допоміжний буферний двохкаскадний підсилювач, зібраний за такою ж схемою.

На рис. 2.22 приведені передаточні характеристики інвертора без буферного підсилювача (крива 1) та з ним (крива 2), які демонструють значне скорочення часу перемикання. Використання буферного підсилювача дозволяє формувати вихідні імпульси з крутими фронтами незалежно від характеру вхідного сигналу. Суттєво знижується також величина опору каналу відкритого транзистора (опір р- канального транзистора знижується в сучасних мікросхемах до 200 Ом, а n- канального – до 100 Ом).

Буферні каскади використовуються здебільшого як вихідні каскади мікросхем для підвищення потужності вихідного сигналу. Однак це приводить до того, що вони займають значну площу на кристалі і знижують рівень інтеграції мікросхем. У той же час, слід пам’ятати, що висока крутизна фронтів може призводити до ударного збудження затухаючих коливань у довгих лініях, які з’являються за рахунок розподілених реактивних параметрів друкованих плат монтажу.

Мікросхеми КМОН випускаються як з простими, так і з буферними вихідними каскадами. Рекомендується при однакових умовах функціонування віддавати перевагу мікросхемам з буферними каскадами.

Дата добавления: 2014-01-15