4ых(=0) =вых-ОД (вых-вых) и tBbix(cn) =вых+ОД (вых-вых) идя времени спада. Пределы интегрирования для времени нарастания

Таким образом, уравнение (16.26) преобразуется в систему уравнений

(16.27)

СП = 0.8 (U,, - и) [C,J (/, -4) ],

lap ЗДр

=0,5(t/J,„-t/,,„)lC,,,A].

где круглые скобки показывают средние величины в диапазоне интегрирования. В табл. 16.1 приведены времена нарастания и задержки для нагрузки двух типов: резистора с постоянным сопротивлением и источника тока, обеспечивающего такой постоянный ток, что мощность рассеяния та же, что и в первом случае. Предполагается также, что емкость выходного узла одинакова в обоих случаях. Если емкости одинаковые, то нагрузка в виде источника тока обеспечивает меньшие времена нарастания и задержки.

Таблица 16.1. Времена нарастания и задержки для резкого перепада напряжения затвора для случая постоянного сопротивления нагрузки и нагрузки, обеспечивающей постоянный ток ннас~ (пвых/ " "" мощность рассеивания по постоянному

току

Времена нарастания и задержки для нагрузки в виде резистора с постоянным сопротивлением могут быть уменьшены в результате использования режима перегрузки, т.е. выбором Ц,>Цитах- Уровень б/дых таким образом, определяется пересечением ВАХ резистора с характеристикой прямосмещенного диода затвора следующего каскада, а не пересечением с характеристикой переключающего транзистора (рис. 16.12).Таким образом, кривая заряда ограничивается уровнем t3„jnax> что приводит к уменьшению времени нарастания и задержки, как показано на рис. 16.13. На рис. 16.14 приведены рассчитанные величины, а на рис. 16.15 - измеренные. Интегрирование выражения (/.j,-""ннас)" "Р* использовании ВАХ Шокли [3] для транзистора и нагрузки постоянного тока в течение интервала интегрирования от Ujr+O,! (U-~аых) Д° синас следующие значения:

<[-4нас]">=(снас-ннас)" (16-28)

для коэффициента 77=1,56 ±0,04 в широком диапазоне значений 0,1 < ннас/снас 0,5 и 0,2 /а 0,6, где do - ширина обедненного слоя у истока; а - толщина активного слоя.

Напряжение

Рис. 16.12. Нагрузочная кривая инвертора на ПТ с непосредственными связями при резистивной нагрузке, работающего в режиме перегрузки, вх у определяется напряжением затвора U при котором протекает существенный по величине ток затвора

0,8 таг 0,63

5з 1

0.07

0 12 3

Рис. 16.13. Зависимости времени нарастания от разницы между напряжением питания и напряжением затвора, при котором протекает существенный ток затвора (перегрузка)

°„„та(п = зитох)

0,2 0,4

Рис. 16.14, Зависимости времен нарастания, задержки и статической мощности рассеяния от напряжения питания при перегрузке, рассчитанной при t3Hmax~0>7 В и ыху = 0

и,,В

Рис. 16.15. Экспериментальные зависимости времени задержки и работы переключения от напряжения питания [29]

16.3.4. МОЩНОСТЬ РАССЕЯНИЯ И МАКСИМАЛЬНАЯ ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА

Мощность рассеяния цепи инвертора с тактовой частотой / включает статическую составляющую /„охст которая не зависит от частоты, и динамическую составляющую похдин которая пропорциональна /[30]. Статическая мощность рассеяния является результатом нагревания транзистора и нагрузки в течение времени, когда транзистор находится в проводящем состоянии, и в предположении, что это происходит в течение половины всего времени, определяется выражением

потст = 4 (Ц. = tn- Cix) UJ2. (16.29)

Дополнительная мощность

Стст = 4 (Ц. = U,Uщах) UJ2 (16.30)

рассеивается в результате прохождения тока через затворы цепей, присоединенных к выходному узлу в случае, когда t/jj >t/gx-Динамическая мощность рассеяния определяется выражением

потдан=/Свыхп (16.31)

и является результатом периодических процессов заряда и разряда емкости узла до величин /вых~0 и иу - и<и...Ъемя задержки ограничивает максимальную тактовую частоту величиной/„х ~ (здр) Таким образом, произведение

.потдин здр ~ вых (16.32)

определяется исключительно емкостью узла и приложенным напряжением. Этот параметр называется также произведением мощности на скорость или динамической энергией переключения и представляет собой минимальную энергию, которую может рассеять ЛЭ при переключении в случае двух переключений за период, и, таким образом, является важным показателем качества для сравнения различных элементов по их применимости в БИС [31].

Здесь представлен менее общий, но более детальный анализ для случая нагрузки в виде постоянного сопротивления, когда ток выходного узла не потребляется. Для получения максимальной тактовой частоты сопротивление нагрузки следует выбирать из соотношения

Лпах= (2?здр)" = (4,4/гСзх)" VPnor = KlR « потдш,(=/щах)=0.8Ц?/(4,4г).

Коэффициент 0,8 является результатом ограничения перепада логических уровней величиной 90% от уровня Ц,. Общая мощность рассеяния немного

больше Рпотдан "О меньше /„отдш+.Рпотст так что ?нар=<вых- Минимальная мощность рассеяния уменьшается, а максимальная тактовая частота увеличивается при уменьшении емкости узла. Мощность рассеяния сильно уменьшается при снижении уровня напряжения питания. Величина согласно приведенному анализу не влияет определенно на максимальную тактовую частоту. Однако выбор величины R для выполнения равенства г =f(jj неявно определяется значением