ΨΗΦΙΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΨΗΦΙΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διδάσκοντες: Γ. Παπαδόπουλος, Κ. Ευσταθίου Πρόοδος Μαΐου 00 ΘΕΜΑ. (30 Στο σχήμα δίνεται ένας απλός BJT αναστροφέας και ζητείται να:. Υπολογίστε την τιμή της αντίστασης Rb έτσι ώστε το ρεύμα της βάσης να είναι διπλάσιο από αυτό που απαιτείται για να βρεθεί το τρανζίστορ Q στο χείλος μεταξύ κόρου και ενεργού περιοχής. Με βάση την τιμή της αντίστασης που υπολογίσατε να βρείτε το turn-on και το turn-off overdrive ρεύμα.. Εξηγήστε πώς και ποιόν χρόνο καθυστέρησης του αναστροφέα μειώνει η χρήση της διόδου D (V D 0.7V..3 Υπολογίστε τον χρόνο αποθήκευσης t sd με δεδομένο ότι BF - t sd τ s ln. CMAX bf Δίδεται: VCC5V Rc80Ω β f 3.3 β r 0.5 τs0ns V CE(SAT 0.V V BE(ON 0.6V V BE(SAT 0.7V Vi (High 5V Vi (low -5V Vi Rb D Vb VCC Σχ.. O BJT αναστροφέας. Rc Vo Q ΘΕΜΑ. (0 Στο σχήμα δίνεται ένας απλός TT αναστροφέας και ζητείται να: R K R K6 VCC5V R 30. Εξηγείστε τον ρόλο της D.. Υπολογίστε αναλυτικά τη τάση V OH και την τάση V O. Vb Vb Q.3 Εξηγείστε σε ποιά κατάσταση βρίσκονται τα τρανζίστορς Q3 και Q την στιγμή που η είσοδος αλλάζει από High σε ow. Υπολογίστε το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή εξόδου (C την στιγμή που η είσοδος αλλάζει από High σε ow. Vi Q Vb Q R3 K Vb3 Q3 D Vo C 0pF. Εξηγείστε σε ποιά κατάσταση βρίσκονται τα Σχ.. O TT αναστροφέας. Πρόοδος Μαΐου 00 5/05/00

τρανζίστορς Q3 και Q την στιγμή που η είσοδος αλλάζει από ow σε High. Υπολογίστε το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή εξόδου (C καθώς και τον χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει η τάση εξόδου στο μέσο της περιοχής διακύμανσης της. Δίδεται: VCC5V β f 30 β r 0 V CE(SAT 0.V V BE(ON 0.6V V BE(SAT 0.7V V D 0.7V ΘΕΜΑ 3. (30 Στο σχήμα 3 δίδεται ένας απλός NMOS αναστροφέας και ζητείται να: 3. Υπολογίστε την τάση V OH χρησιμοποιώντας τις εκφράσεις για το ρεύμα που σας έχουν δοθεί. 3. Υπολογίστε το ( W / S και το ( W / έτσι ώστε να έχουμε V O 0.V και 5μA. Αγνοήστε το body effect. 3.3 Υπολογίστε σύντομα τις παραπάνω διαστάσεις έτσι ώστε να ρέει το διπλάσιο ρεύμα με το ίδιο V O. Αγνοήστε το body effect. Vi VDD Q Vo QS Δίδεται: Σχ. 3. O NMOS αναστροφέας. VDD5V Kn5μA/V V T V Kn ( V V TRODE Kn ( V V, SAT GS T ( V V, GS T Πρόοδος Μαΐου 00 5/05/00

ΘΕΜΑ. Όταν το τρανζίστορ είναι στον κόρο το ρεύμα του συλλέκτη θα είναι: VCC VCESAT 5 0. csat 0mA Rc 0.8 Το ρεύμα της βάσης που φέρνει οριακά στο κόρο το τρανζίστορ θα είναι: csat 0 bsat 0. 3mA β f 3.3 Επιπλέον το ρεύμα της βάσης είναι: High ON 5 0.7. 3V b Rb Rb Rb Εξισώνοντας τα δύο ρεύματα έχουμε βf 3. Rb.3V.3V 0K csat 0mA Άρα για να έχουμε διπλάσιο ρεύμα στη βάση του τρανζίστορ θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε Rb5K. To Turn-on overdrive ρεύμα παρατηρείται στη βάση του τρανζίστορ κατά την μετάβαση της τάσης εισόδου από ow σε High. Αυτή τη χρονική στιγμή η τάση της βάσης είναι VD ( 0.7V διότι η δίοδος προστασίας της βάσης είναι ορθά πολωμένη. Συνεπώς την στιγμή αυτή το ρεύμα βάσης θα είναι: High ( VD b. ma ( ton Rb Το ρεύμα αυτό οδηγεί την τάση της βάσης από τα VD στα +VBE Volts, φορτίζοντας τις παρασιτικές χωρητικότητες της διόδου και της βάσης του τρανζίστορ. To Turn-off overdrive ρεύμα παρατηρείται στη βάση του τρανζίστορ κατά την μετάβαση της τάσης εισόδου από High σε ow. Αυτή τη χρονική στιγμή η τάση της βάσης διατηρείται για μικρό χρονικό διάστημα στα 0.7V. Συνεπώς την στιγμή αυτή το ρεύμα βάσης θα είναι: ow SAT 5 0.7V b( toff. ma Rb 5K. Όταν η τάση εισόδου είναι Vi (ow, η δίοδος είναι ορθά πολωμένη περιορίζοντας την τάση της βάσης στα 0.7V. H απουσία της διόδου θα επέτρεπε την τάση της βάσης να φτάσει την Vi (ow (-5. Έτσι, την στιγμή που αλλάζει η τάση εισόδου από ow σε High, η τάση της βάσης πρέπει να αλλάξει από τα 0.7V στα +0.7V, ενώ αν δεν χρησιμοποιούσαμε την δίοδο η τάση της βάσης θα έπρεπε να διανύσει σημαντικά μεγαλύτερη περιοχή τάσης, δηλαδή από 5V έως +0.7V. Συνεπώς η χρήση της διόδου μειώνει τον χρόνο που απαιτείται για να βρεθεί το τρανζίστορ από την αποκοπή στην ενεργό περιοχή (Delay Time : t d. Επιπλέον η δίοδος προστατεύει την βάση από μεγάλες αρνητικές τάσεις..3 Το ρεύμα BF είναι το ρεύμα ορθής πόλωσης του τρανζίστορ: High SAT 5 0.7.3V Rb Rb Rb BF 0. 86 ma Πρόοδος Μαΐου 00 3 5/05/00

Το ρεύμα είναι το ρεύμα που απορροφά η τάση εισόδου από την βάση κατά την μετάβασή της από High σε ow: OW SAT 5 0.7 5.7V. ma Rb Rb Rb Συνεπώς ο αναμενόμενος χρόνος T sd είναι: BF - 0.86 +. tsd τ s ln 0ns ln. ns CMAX 0.3. + b f ΘΕΜΑ. Η δίοδος D αποτρέπει την ταυτόχρονη αγωγή του Q3 και του Q όταν η έξοδος είναι ow. Όταν η έξοδος είναι ow, τα Q και Q3 είναι στον κόρο και συνεπώς η τάση V B είναι: VB VBE3( SAT + VCE ( SAT 0.7V + 0.V 0. 9V Με δεδομένο ότι η τάση εξόδου ισούται με την τάση V CE(SAT 0.V βρίσκουμε ότι η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης του Q και της εξόδου είναι 0,7V. H τάση αυτή είναι ικανή να φέρει το τρανζίστορ Q στον κόρο. Συνεπώς η χρίση της διόδου αποτρέπει την αγωγή του Q αφού τώρα η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης του Q και της εξόδου μοιράζεται στην δίοδο βάσης-εκπομπού του Q και στην δίοδο D.. Όταν η τάση εισόδου είναι ow, το Q βρίσκεται στον κόρο έχοντας ένα μεγάλο ρεύμα στην βάση, ενώ το ρεύμα του συλλέκτη είναι μηδενικό, αφού δεν είναι δυνατόν να περάσει ρεύμα μέσα από την βάση του Q. Συνεπώς το Q και το Q3 είναι στην αποκοπή. Έτσι η τάση στον συλλέκτη του Q ισούται με VCC5V (θεωρώντας ότι το ρεύμα βάσης του Q είναι αμελητέο. Συνεπώς η τάση εξόδου V OH θα είναι: VOH VCC VBE VD 3. 7V Όταν η τάση εισόδου είναι High, το Q βρίσκεται στην ανάστροφη ενεργό περιοχή επειδή η τάση V E V OH 3.7V, ενώ η τάση V C V BE +V BE3.V είναι μικρότερη αφού δεσμεύεται από την τάση αγωγής των διόδων βάσεως εκπομπού των Q και Q3 που είναι στον κόρο. Το ρεύμα της βάσης του Qείναι: VCC VBC VBE VBE 3 5 0.6 0.7 0.7 B 0. 75mA K Το ρεύμα της βάσης του Q είναι: B ( βr + Ι Β 0.75mA Το ρεύμα του εκπομπού του Q είναι: VCC VCE VBE3 5 0. 0.7 E B + 0.75 + 3. 3mA K6.6 Διαπιστώνουμε ότι το ρεύμα του εκπομπού του Q είναι σαφώς μικρότερο από (β f + B και συνεπώς επιβεβαιώνεται η υπόθεσή μας ότι το τρανζίστορ Q είναι στον κόρο. Το ρεύμα βάσης του Q3 είναι: VBE3 0.7 B3 E 3.3. 6mA K Όπως αναφέρθηκε στο. η διαφορά δυναμικού V B-C3 είναι 0.7V και συνεπώς η δίοδος D και η δίοδος βάσης-εκπομπού του Q δεν άγουν. Έτσι το Q είναι στην αποκοπή με αποτέλεσμα το ρεύμα συλλέκτη του Q3 να είναι μηδενικό. Συνεπώς ορθά υποθέσαμε ότι το Q3 είναι στον κόρο. Με βάση τα παραπάνω συνάγεται ότι: V V 3 0. V OH CE Πρόοδος Μαΐου 00 5/05/00

.3 Όταν η είσοδος αλλάζει από High σε ow το Q3 μεταβαίνει από τον κόρο στην αποκοπή, ενώ το Q μεταβαίνει από την αποκοπή στην ενεργό περιοχή. Ο πυκνωτής της εξόδου C διατηρεί την τάση της εξόδου σε ow για μικρό χρονικό διάστημα και φορτίζεται μέσα από την αντίσταση των 30Ω, το Q και την δίοδο D. To ισοδύναμο κύκλωμα φόρτισης του πυκνωτή είναι: VCC5V R K6 R 30.V.6V Q 0.9V D 0.V C 0pF Υποθέτουμε ότι το Q είναι στον κόρο και υπολογίζουμε το ρεύμα στην βάση του: VCC VBE VD VO 5 0.7 0.7 0. B. 5mA K6.6 Το ρεύμα στον συλλέκτη του Q θα είναι: VCC VCE VD VO 5 0. 0.7 0. C 30mA 0.3 0.3 Διαπιστώνουμε ότι το C είναι μικρότερο από (β f B και συνεπώς η υπόθεση μας ήταν σωστή. Έτσι το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή είναι: C C + B 3. 5mA. Όταν η είσοδος αλλάζει από ow σε High το Q3 μεταβαίνει από την αποκοπή στον κόρο, ενώ το Q μεταβαίνει από την ενεργό περιοχή στην αποκοπή. Ο πυκνωτής της εξόδου C διατηρεί την τάση της εξόδου σε High για μικρό χρονικό διάστημα και εκφορτίζεται μέσα από τον συλλέκτη του Q3. To Q3 παραμένει στην ενεργό περιοχή μέχρι η τάση του πυκνωτή να πέσει στα 0.V οπότε και πηγαίνει στον κόρο. Το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή είναι σταθερό και βf φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα της βάσης του Q3. C 3 B 3 βf.6 30 78.3mA Το μέσο της τάσης διακύμανσης της εξόδου είναι: VOH VO 3.7 0. Vm VO + 0. +. 95V Ο χρόνος που απαιτείται για την μεταβολή της τάσης εξόδου από VOH έως Vm είναι: Πρόοδος Μαΐου 00 5 5/05/00

t ( V Vm C ( 3.7.95 C 3 ΨΗΦΙΑΚΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ V 0 p 3. 78.3mA OH 5 ΘΕΜΑ 3 3. Όταν η τάση εξόδου είναι High το ρεύμα στα δύο Fets είναι μηδέν. Αγνοώντας το Body effect η τάση εξόδου θα είναι: V VDD V 5 V OH T 3. Όταν η τάση εξόδου είναι ow το ρεύμα στα δύο Fets είναι 5μΑ. Το QS βρίσκεται στην ωμική περιοχή και συνεπώς έχουμε: Kn ( ( VGS VT V V 5µ A Kn 5 5.7 s Το Q βρίσκεται στον κόρο και συνεπώς έχουμε: s s s ps ( ( Vi V Vo Vo H ( ( 0. 0. T 5 5 5 5 Kn 0. ( V V GS ( VDD V V T O ( 5 0. 3.3 Προφανώς για να διπλασιάσουμε το ρεύμα του αναστροφέα πρέπει να διπλασιάσουμε τους λόγους W/. T Πρόοδος Μαΐου 00 6 5/05/00