CIRCUITE LOGICE CMOS

1. 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.

2. Schema de baza a circuitelor logice CMOS o constituie inversorul CMOS a carui schema este prezentata in fig.1. Caracteristica de transfer a circuitului este puternic dependenta de tensiunea de alimentare ; in fig.2 sunt reprezentate cazurile cand > (fig.2.a) si cand < (fig.2.b).

Tranzistoarele MOS complementare sunt caracterizate prin tensiunile de prag si si prin factorii de curent si . In continuare se presupune ca sunt valabile relatiile: = =

In cazul cand > 2, se defineste o tensiune de transfer a inversorului, ca in fig.2.a, conform relatiei: (3) unde k este raportul

= (4), = 0 (5) atunci cand circitul functioneaza in gol.

Daca circuitul are o sarcina cuplata la masa, tensiunea corespunzatoare nivelului logic '1', va deveni: (6) iar daca aceeasi sarcina este cuplata la tensiunea de alimentare, , tensiunea corespunzatoare nivelului logic '0', , devine: (7).

In aceste relatii s-a presupus ca diferenta dintre si precum si sunt neglijabili in comparasie cu

Marginile de zgomot, definite conform fig.2.a, vor fi:

- MZ1 = - = 0,5 (8)

- MZ0 = - (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 0,45

In cazul in care tensiunea de alimentare, , este mai mica decat 2, se obtine caracteristica de transfer din fig.2.b, cu histerezis.

3. 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 = (), prezentata in fig.3. Se absoarbe curen de la bateria de alimentare numai atunci cand < < - , ceea ce presupune si > 2

Se determina valoarea maxima a curentului de alimentare obtinuta pentru = : (10).

Se remarca dependenta parabolica a varfului de curent de alimentare de tensiunea de alimentare,

4. 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.4 este prezentat raspunsul circuitului din fig.1, incarcat cu o capacitate de sarcina, C_S, la un impuls de comanda cu fronturi ideale, cu amplitudinea egala cu si cu durata suficient de mare.

Considerand ca sunt valabile relatiile (1) si (2), se obtin urmatoarele expresii pentru timpii de comutare ai circuitului definiti ca in fig.4:

- (11)

- (12)

Se remarca dependenta fronturilor impulsurilor de la iesire si a timpilor de propagare (pana la atingerea tensiunii de transfer ) de tensiunea de alimentare, constatandu-se scaderea acestora la cresterea tensiunii de alimentare.

In cazul in care inversorul CMOS este comandat in impulsuri de frecventa joasa, curentul consumat de la bateria de alimentare este neglijabil (se consuma curent numai in intervalul de timp in care tranzistorul MOS, , incarca capacitatea de sarcina). La cresterea frecventei, intervalul de timp in care tranzistorul MOS, , este in conductie, incepe sa conteze in comparatie cu perioada impulsurilor si se deduce relatia: (13) adica o dependenta liniara de frecventa impulsurilor de comanda a puterii disipate de circuit.

5. Cu ajutorul inversoarelor CMOS se pot realiza circuite cu diferite functiuni. In fig.5 este reprezentata schema unui multivibrator cu inversoare CMOS pentru care formele de unda in principalele puncte ale schemei sunt desenate in fig.6.

Presupunand ca >> ( 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.1, au rolul de a nu permite tensiunii de intrare sa ia valori in afara domeniului 0 ), se obtine relatia: (14) .

Puterea disipata de circuit (deci puterea absorbita de la bateria de alimentare) depinde foarte puternic de valoarea a tensiunii de alimentare, daca > 2

Stabilitatea formei de unda depinde de stabilitatea, de altfel, foarte buna, a tensiunii de transfer a inversorului CMOS.

6. 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.7, iar caracteristica de transfer in fig.8.

Nivelele logice la iesirea circuitului sunt cele ale inversorului CMOS (eventual incarcat cu sarcina ), adica: = si = 0, iar pragurile de basculare vor avea expresiile: (15) , (16).

DESFASURAREA LUCRARII

1. Se identifica circuitul din fig.9 care contine un circuit integrat cu inversoare CMOS pentru care legaturile la pini sunt date in anexa. Alimentarea circuitului se poate face cu tensiuni de alimentare de pana la 20 V.

2. Se traseaza caracteristica de transfer a unui inversor CMOS pentru = 12 V, variind tensiunea de la intrare intre 0 si 12 V. Se determina nivelele logice in cele doua stari ( si ), tensiunea de transfer si marginile de zgomot statice, marimi definite conform fig.2.a.

Se determina tensiunile de prag ale celor doua tranzistoare MOS, conform fig.2.a si se va adopta, in continuare, ca tensiuni de prag identice (in valoare absoluta) pentru cele doua tranzistoare media aritmetica a marimilor determinate anterior.

Se verifica (3), (4) si (5) pentru tensiunea de transfer a circuitului si pentru nivelele logice ale inversorului.

3. Se traseaza caracteristica de transfer pentru < 2. Tensiunea de intrare se va regla intre 0 si si invers.

4. Se va determina influenta sarcinii asupra nivelelor logice ale circuitului. Pentru aceasta, rezistenta de sarcina, , se va conecta la masa si se va masura tensiunea (cu intrarea la masa); apoi, se va conecta la + si se va masura (cu intrarea la +). Din relatiile (6) si (7) se vor determina si si, in continuare, se va adopta pentru media aritmetica a valorilor astfel determinate.

5. Pentru = 12 V, se va determina caracteristica de alimentare = (), masurand curentul de alimentare (cu un instrument de curent continuu conectat in serie cu bateria de alimentare) pentru tensiune de intrare varialbila, aplicata pe intrarea unui inversor CMOS (celelalte inversoare nu consuma curent, unul dintre tranzistoare fiind blocat).

5.1 Se vor determina valorile varfului de curent de alimentare pentru = 6, 8, 10, 12, 14 si 16 V si se vor compara cu valorile calculate curelatia (10) in care si au valorile determinate anterior. Se traseaza curba (

6. Se alimenteaza circuitul cu = 12 V si se aplica impulsuri de comanda de amplitudine (aceste impulsuri se obtin cu un inversor cu tranzistor bipolar de comutatie, ca in fig.9) si cu durata si perioada suficient de mari.

Se vizualizeaza formele de unda de la iesirea circuitului si se masoara timpii de comutare, verificandu-se relatiile (11) si (12) pentru fronturile impulsurilor de la iesire si pentru timpii de propagare, definiti ca in fig.4. Se va lua = 200 pF. Se va lua in considerare si capacitatea de intrare a osciloscopului.

6.1 Se determina dependenta timpilor de comutare de tensiunea de alimentare. Pentru se vor lua valorile 6, 8, 10, 12, 14 si 16 V. Determinarile se vor face pentru o capacitate de sarcina = 200 pF.

6.2 Se mareste frecventa impulsurilor de comanda astfel ca perioada lor sa fie de circa 5 ori mai mare decat durata frontului impulsului rezutat la iesirea inversorului. Se masoara curentul absorbit de la sursa de alimentare pentru valorile tensiunii de alimentare prezentate mai sus; se efectueaza produsul dintre puterea absorbita de la tensiunea de alimentare si timpul de propagare si se reprezinta grafic dependenta acestuia de tensiunea de alimentare. Se va lua = 200 pF.

6.3 Pentru = 12 V, se aplica impulsuri cu factor de umplere 0,5 si cu frecventa variabila. Se masoara curentul de alimentare ca functie de frecventa, si se calculeaza puterea absorbita de la bateria de alimentare; se verifica relatia (13).

Se realizeaza circuitul multivibrator din fig.5, cu = 1 MW = 12 kW si = 10 nF si se alimenteaza cu = 12 V. Se masoara formele de unda in punctele A, B, C si D ale schemei si se masoara duratele si , factorul de umplere al impulsurilor si curentul de alimentare. Se verifica relatia (14).

Se modifica tensiunea de alimentare la = 15 V si se repeta masuratorile. Sa se interpreteze rezultatele.

8. Se realizeaza circuitul cu prag si cu histerezis din fig.7 si se alimenteaza cu = 12 V. Se traseaza caracteristica de transfer si se determina nivelele logice de la iesire si tensiunile de prag. Se verifica relatiile (15) si (16).

Se aplica semnal sinusoidal cu amplitudinea mai mare decat si se vizualizeaza forma de unda la iesire. Se masoara nivelele logice si fronturile impulsurilor obtinute la iesire.

9. Sa se deduca expresiile caracteristicii de transfer si a caracteristicii de alimentare pentru inversorul CMOS din fig.1 (desenate in fig.2.a si 3).

Sa se deduca expresiile timpilor de comutare ai inversorului CMOS, relatiile (11) si (12), in conditiile specificate in lucrarea de laborator.