Circuite cu tranzistoare 1. Inversorul CMOS MOSFET-urile cu canal indus N si P sunt folosite la familia CMOS de circuite integrate numerice datorită următoarelor avantaje: asigură o creştere a densităţii de integrare de circa zece ori, permiţând astfel integrarea unor funcţii suplimentare; rezistenţa de intrare este foarte mare și curentul de intrare este foarte mic ; tehnologia de fabricație este simplă, deci şi ieftină; puterea consumată în regim static, de la sursele de alimentare, este foarte mică (neglijabilă); este posibilă folosirea unei plaje lărgite de tensiuni de alimentare (3 18 V); au o margine de zgomot (mult) mai mare decât cea întâlnită la familia TTL (realizată cu tranzistoare bipolare). Din păcate, MOSFET-urile au timpi de comutație mai mari decât tranzistoarele bipolare, frecvența maximă de operare fiind 1 10MHz. Există insă seriile CMOS rapide, la care timpii de comutație sunt considerabil mai mici. 1
Simbolurile folosite pentru MOSFET-urile cu canal indus N și P sunt cele din fig.1. Simbolurile clasice sunt cele din fig.1.a; Simbolurile simplificate (folosite în schemele electrice ale circuitelor integrate) sunt cele din fig.1.b. Pentru tipul canalului s-au folosit notațiile n, respectiv p, iar substratul (baza) tranzistorului s-a notat cu Sb. Substratul (baza) se conectează la sursa tranzistorului (S=Sb). a) b) Fig.1 2
Inversorul CMOS Schema simplificată (de principiu) a inversorului CMOS este reprezentată în fig. 2.a, iar simbolul circuitului în fig. 2.b. Circuitul poate fi alimentat de la o singură sursă de tensiune continuă (ca în fig.2) sau de la 2 surse de tensiune continuă una pozitivă, iar cealaltă negativă (+V DD, - V SS ). Intrarea inversorului CMOS este notată cu A în fig.2, iar ieșirea cu y. Atât intrarea cât și ieșirea circuitului pot fi 0 logic sau 1 logic. 0 logic înseamnă nivel coborât de tensiune față de masa montajului. 1 logic înseamnă nivel ridicat de tensiune față de masa montajului. a) b) Fig. 2 3
Funcționarea inversorului CMOS Caracteristica statică de transfer a MOSFET-ului cu canal indus este cea din fig.3. La tranzistoarele integrate, de obicei, U =1,5 2V. P Progresele tehnologice din ultimele decenii au condus la U P =1,25 V şi ulterior chiar sub UP 1 V, permiţând astfel apariţia unor serii alimentate la 2,5 V sau, mai nou, la 1,8 V. a) b) Fig.3. Caracteristica statică de transfer a MOSFET cu canal indus P (fig. a), respectiv N (fig.b) În timpul funcționării inversorului CMOS, fiecare tranzistor are 2 stări stabile: a) Blocat (starea Off), când U U 0, respectiv GS b) în conducție pronunțată (starea On): P UGS UP 0 și UDS UDSP 0 la tranzistorul cu canal N, respectiv UGS UP 0 și UDS UDSP 0 la tranzistorul cu canal P. 4
Cazul A = 0 logic adică a) U1GS UIL 0V UP. ui UIL 0V Ca urmare, tranzistorul T 1 este blocat (în starea Off). b) În condițiile în care VDD U P, se obține U u V V. 2GS I DD DD UP Ca urmare, tranzistorul T 2 este în starea On (conduce). Curentul prin T 2 este apreciabil dacă circuitul se închide printr-o rezistență de sarcină R L. c) În concluzie, când ui UIL 0V, la ieșire se obține un nivelul ridicat de tensiune: uo UOH VDD. Deci, y = 1 logic. Ambele tranzistoare sunt în stări stabile. U 2GS U2DS Cazul A = 1 logic, adică ui UIH VDD a) În condițiile în care V DD U P, se obține U1GS UP. Tranzistorul T 1 este în starea On (conduce). b) U2GS ui VDD 0V ; ca urmare, T 2 este blocat (în u starea Off). I =U 1GS c) În concluzie, când ui UIH VDD, la ieșire se obține un nivelul coborât de tensiune: uo UOL 0V. Deci, y = 0 logic. Ambele tranzistoare sunt în stări stabile. Fig. 4 u O =U 1DS R L 5
Funcționarea inversorului CMOS în regim static, în gol (fig. 5) Considerând A = 0 logic (fig. 5.c) adică ui UIL 0 V, rezultă că T 1 este blocat (Off), iar T 2 conduce (On). Tensiunea de ieşire este uo UOH VDD, ieşirea fiind y = 1 logic. Dacă A = 1 logic (fig. 5.d) adică ui UIH VDD, T 1 conduce (On), iar T 2 este blocat (Off) pentru că U2GS ui VDD 0 V. Tensiunea de ieşire este uo UOL 0, ieşirea fiind y = 0 logic. a) b) c) d) Fig. 5. Funcționarea inversorului CMOS în regim static 6
Funcționarea inversorului CMOS în regim static, în sarcină (fig. 6) La ieșirea inversorului CMOS pot fi conectate una sau mai multe porți logice, ale căror rezistențe de intrare s-au notat cu R I1, I2 R în fig. 6. De comentat, pentru cele 2 situații posibile, influența funcționării circuitului CMOS în sarcină asupra a) consumului de energie de la sursa de alimentare; b) funcției realizate. Numărul maxim de porți logice care se pot conecta la ieșire este dat de o caracteristică a inversorului CMOS numită Fanout. CN1 CN2 CN1 CN2 R I1 R I2 R I1 R I2 a) b) Fig. 6 7
Concluzii 1) Circuitul funcţionează ca inversor: Când A = 0 se obține y = 1; Când A = 1 se obține y = 0. A=u I 1 0 y=u O t 2) Puterea consumată în regim static are valoare foarte mică (1 10 μw), corespunzătoare curentului rezidual al tranzistorului blocat, pentru că cele 2 1 0 T 1 =ON T 2 =OFF T 1 =OFF T 2 =ON t MOSFET-uri funcționează în contratimp (unul este în conducție, iar celălalt este Fig. 7. Inversorul CMOS Forme de undă blocat). 8
2. Circuite cu tranzistoare bipolare 2.1. Comanda pornirii unor ventilatoare folosind un automat programabil (PLC-03) PLC-03 este un automat programabil cu ieșirile OUT5+ și OUT5- REL este un releu cu contact basculant prin intermediul căruia se alimentează ventilatoarele V1 și V2. La ieșire, PLC-03 are un TB cu colectorul în gol (ieșire open colector). Fig. 8. Conectarea circuitului pentru comanda alimentării ventilatoarelor la ieșirea 5 a PLC-03 9
2.2. Conectarea unui senzor capacitiv la intrarea unui automat programabil (PLC-03) Circuitul de intrare al automatului programabil PLC-03 a) asigură o separare galvanică prin optocuplor, b) permite tensiuni de intrare de ambele polarități, c) acceptă atât tensiune diferențială, cât și tensiune asimetrică (raportată la masă). Fig. 9. Conectarea senzorului capacitiv la intrarea 5 a PLC-03 10