Инвертор на МДП-транзисторах с нелинейной нагрузкой

U

вых

+E

п

VT1

VT2

U

вх

= U

ЗИ2

Рисунок 5.23. Инвертор на МДП-транзисторах с нелинейной нагрузкой

На рис. 5.24 приведена схема инвертора, у которого нагрузкой является МДП - транзистор VT1 с каналом n-типа. Этот транзистор всегда открыт, т.к. его затвор подключен к источнику +Е_п. Поскольку при открытом управляющем транзисторе VT2 для обеспечения малого значения выходного напряжения низкого уровня (логического 0) сопротивление канала открытого транзистора VT1 должно не менее, чем в 20 раз превышать сопротивление канала открытого управляющего транзистора VT2, то удельная крутизна К₁ нагрузочного транзистора VT1 должна быть меньше удельной крутизны К₂ управляющего транзистора. Это достигается технологическим путем на этапе изготовления элемента: нагрузочный транзистор изготавливают с узким и длинным каналом, а управляющий – с коротким и широким.

На рис. 5.24а приведены выходные характеристики нагрузочного транзистора VT1, для которого удельная крутизна К₁=0,005 мА/В² и
U_{ЗИ пор} = 3В. Так как для нагрузочного транзистора выполняется условие

,

то геометрическое место точек, удовлетворяющее этому условию, является вольт-амперной характеристикой резистора МДП – типа (кривая ).

Рисунок 5.24. Выходные характеристики инвертора на МДП-транзисторах с нелинейной нагрузкой

Выходные характеристики управляющего транзистора VT2 с параметрами К₂ = 0,04мА/В² , U_{ЗИ пор2} =3В приведены на рис. 5.24б. На этих характеристиках построена линия нагрузки, соответствующая ВАХ нагрузочного транзистора VT1 при Е_П=12В. Так, при токе I_C1 = 0.04 мА в соответствии с рис. 6.19а имеем U_ЗИ1 =U_СИ1=7В, следовательно, U_СИ2 = Е_п - U_ЗИ1 = 12 -7 = 5 В. При I_C1 = 0.08 мА имеем U_ЗИ1 = 9 В, поэтому U_СИ2 = 12 - 9= 3 В и т.д. Из рис. 524б видно, что построенная таким образом линия нагрузки имеет ярко выраженных характер, а ее начало лежит в точке с координатами I_C2 = 0, U_СИ2 = Е_п - U_{ЗИ пор1} = 9 В.

Если U_вх=U⁰_вх U_{ЗИ пор2}, то транзистор VT2 закрыт, а через открытый транзистор VT1 будет протекать ток, равный току утечки транзистора VT2, то есть транзистор VT1 будет находиться на грани запирания, при этом U_ЗИ1=U_ЗИпор1. Поскольку сопротивление канала R_к2 закрытого транзистора VT2 значительно больше сопротивления канала R_к1 открытого транзистора VT1, на выходе будет напряжение высокого уровня

U¹_вых = E_п – U_{ЗИ пор1}

Это напряжение определяет уровень логической 1 в элементах на МДП – транзисторах. Если этот уровень подать на вход инвертора, то есть если U_вх = U¹_вых = E_п - U_{ЗИ пор1}, то транзистор VT2 откроется и открытыми окажутся оба транзистора VT2 и VT1. Поскольку сопротивление канала R_к2 открытого транзистора VT2 значительно меньше сопротивления канала R_к1 открытого транзистора VT1, то на выходе установиться напряжение низкого уровня.

Определим ток стока открытого управляющего транзистора VT2, работающего в крутой области стоковых характеристик:

Величина U_СИ2 является малой по сравнению с Е_п, поэтому записать его в более простом виде:

Ввиду того, что в данном случае U_СИ2 есть не что иное, как выходное напряжение низкого уровня, последнее уравнение можно представить в виде

При этом транзистор VT1 работает в пологой области характеристик, поэтому его ток стока будет определяться уравнением:

Поскольку должно выполняться условие (VT2 и VT1 включены последовательно по отношению к Е_п),то получим:

Решение это уравнение относительно даёт:

При через инвертор протекает сквозной ток стока транзисторов VT1 и VT2. Мощность, потребляемая в режиме логического нуля на выходе, будет равна

P⁰

При через инвертор протекает лишь незначительный ток, определяемый током утечки транзистора VT2, поэтому:

P¹

Считая состояние логического нуля и логической единицы равновероятными, получим:

P_ср = 0,5 (P⁰ + P¹) » 0,5 P⁰ = 0,25 K₁ Е_п (Е_п – U_{ЗИ пор1})²

Схема инвертора с нелинейной нагрузкой на МДП – транзисторах с каналом p-типа отличается от рассмотренной лишь противоположной полярностью источника питания Е_п, вследствие чего уровни логического 0 и логической 1 находятся в области отрицательных значений напряжений.

Передаточную характеристику инвертора с нелинейной нагрузкой можно построить графически по точкам пересечения линии нагрузки с выходными статическими характеристиками управляющего транзистора.

Вид полученной таким образом ПХ показан на рис. 5.25. При U_вх £ U_{ЗИ пор2} выходное напряжение постоянно и имеет максимальное значение U_{вых max} = U¹ = Е_п – U_{ЗИ пор1} = 12 – 3 = 9 В, и протекающий через инвертор сквозной ток определяется лишь током утечки, составляющим обычно лишь несколько наноампер.

Рисунок 5.25. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой

Передаточная характеристика инвертора на МДП-транзисторах с нелинейной нагрузкой практически не зависит от температуры поэтому рассматриваемый инвертор имеет высокую помехоустойчивость в широком диапазоне изменения температур. Отсутствие входных (затворных) токов обеспечивает независимость ПХ и помехоустойчивости от числа нагрузок.