Если перевести движок в крайнее верхнее положение, на выходном проводе появится нулевое напряжение Vsы%~ потому что теперь п-канал будет замкнут, а р-канал разомкнётся. Когда на затворы от двв-жка поступает среднее напряжение U.n/S, выходное напряжение также окажется близким к Un п/2, если сопротивления каналов примерно рав-

На рис. 2.3, б показана результирующая передаточная характеристика инвертора КМОП UaHxCUsx). Точки изломов характеристики соответствуют пороговым напряжениям включения п- и р-канала, т. е. Ungp и иор. Для анализа работы инвертора DDI воспользуемся управляющим переключателем S1 (рис. 2.3, в).

На рис. 2.3, г показано, что при высоком уровне, поступающем от SI на оба затвора, т. е. на вход инвертора DDI, верхний р-канальный транзистор VT1 как бы оборван, а нижний VT2 эквивалентен сопротивлению канала RjJ. Рисунок 2.3, д ил.дюстрирует подачу на вход инвертора низкого логического уровня. Замкнется верхний транзистор VT1, через его сопротивление R на выход поступит напряжение высокого уровня. Важно, что нижний транзистор VT2 оборван. На рис. 2.3, е отображен эквивалент выходной цепи инвертора DDI. Это переключатель S2.

Чтобы получить более полное представление о свойствах входной и выходной цепей КМОП-инвертора, полезно рассмотреть поперечное сечение того участка кремниевой п-подложки, где он расположен. Такой эскиз показан на рис. 2.4, а. Следует учесть, что по горизонтали размер этой структуры не более 60 мкм, а по вертикали менее 10 мкм (толщина в буквальном смысле несущей п-подложки 300 мкм). Вблизи поверхности подложки расположена диффузионная область р-примеси, чтобы сделать карман . Знаками р+ обозначены области истока и стока р-канального МОП-транзистора с повышенной концентрацией дырок. Для п-канального МОП-транзистора сделаны в кармане две высоколегированные п+-области. Здесь избыток электронов, это области истока и стока.

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DDI (рис. 2.4,6). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD1. На рис. 2.4, а стабилитрон не показан, но ои присутствует в структуре обязательно, иначе вход инвертора будет пробит статическим электричеством. Природу пробоя тонкого окисного слоя SiOa можно уяснить, вспомнив формулу заряда конденсатора C=q/U. Затвор и поверхность подложки суть обкладки конденсатора С. Если в нем накопится случайный заряд q, потенциал между обкладками станет U. Если заряд стал чрезмерным (ведь ему некуда стекать), U превысит напряжение пробоя тонкого слоя диэлектрика ЗЮг (толщина примерно равна 1 мкм). К слову, МОП- и КМОП-усили-тели без защитного стабилитрона существуют. Они предназначены для электрометрических цепей, т. е. фактически для измерения заряда q. Это специально оговаривается в сертификате прибора.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробой от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 2.4, в показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на п-под-

ti-подппжка. р-кармап -

Рис. 2.4. Особенности инвертора КМОП:

а -поперечное сечепке структуры КМОП; б -защитный диод на входе инвертора; е-полная схема инвертора с защитными и паразит., ными диодами

ложку. Низкий уровень напряжения питания присоединяется к специальной шине, соединяющей карманы (см. рис. 2.4, а).

Конденсатор С на рис. 2.4, в символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пФ. Диоды VD1-VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VD3 -50 В. Последовательный резистор R= = 200 Ом... 2 кОм ие позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость затворов С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки.

Диоды VD4-VD6 защищают выход инвертора от пробоя между п+ и р+-областями (см. рис. 2.4, а, по горизонтали). Здесь также верхний диод VD4 имеет пробивное напряжение 50 В, нижний VD5-25 В. Эти диоды, как правило, составная часть структуры (рис. 2.4,а). Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания. Такие диоды делаются в структуре специально.

Рассмотрим электрические параметры инвертора КМОП. На рис. 2.5, а, 6 показаны пути тока через нагрузки инвертора Rh при высоком (В) и низком (Н) уровнях, поступающих от управляющего переключателя S1. Если от SI подан высокий В входной уровень, п-транзистор (см. рис. 2.5, а) замкнут, от источника питания Пи.п через резистор Rh в п-канал втекает ток нагрузки низкого уровня I- Р *- 2.5,6

показан р-транзистор замкнутым, для этого от S1 подан низкий уровень Н. От провода и .п через р-канал в нагрузку Rh стекает ток нагрузки высокого уровня Igjjx- Чтобы высокий и низкий уровни (Ugyxi см. рнс. 2.1,6 и Uggjx. см. рис. 2.2,6) инвертора максимально приближались к на[!ряжениям U .n н О В, необходимо выполнить условие, чтобы сопротивление канала RkCRh как для р-, так и для п-канала.

Условие Rk<Rh выполняют для специально конструируемых мощных инверторов КМОП, работающих на выходах микросхем. Нэпом-ним, что малое сопротивление канала R равноценно повышенной крутизне усиления S полевого транзистора. Пределы 1дух и ll для оконечных буферных инверторов обычно оговариваются. Если их превысить, структура может разрушиться. Оконечные транзисторы с большой крутизной занимают значительную часть площади кристалла микросхемы.

S Вход

if.

г-\ р-канап\

Рис. 2.5. Выходные токи инвертора КМОП {а и б), нагрузка инвертора (в)

п-канап\

вдг 1

ВВ1 У1ЭИ

Вы.ход малосигнальиого инвертора внутри микросхемы работает в другом режиме. Он нагружается на очень большое входное сопротивление последующего инвертора. Эквивалент такого включения показан на рис. 2.5, в. Здесь выходной скачок Ubhx от логического элемента - источника (ЛЭИ) попадает на вход ЛЭ нагрузки (ЛЭН). Поскольку Rx ~104 Ом, ясно, что установившиеся токи I°x и 1вых будут ничтожно малыми фактически при любом значении Rk (обычно, для малосигнальных инверторов Rk=5...10 кОм). Следовательно, статические напряжения высокого и низкого Уровня на выходе ЛЭИ будут практически равны ии.п и О В. Однако в момент скачка напряжения Пчерез сопротивление его каналов Rk должна зарядиться (или разрядиться) входная емкость ЛЭН C,f. Ее значение обычно 5...15пФ. Следова-200