Лабораторная работа № 1. Определение времени переключения логических элементов ИС на основе наноструктур арсенида галлия с помощью кольцевых генераторов

Лабораторная работа № 1

Определение времени переключения логических элементов ИС на основе наноструктур арсенида галлия с помощью кольцевых генераторов

Цель работы: 1) изучение элементной базы цифровых схем на арсениде галлия; 2) ознакомление с методикой определения времени переключения логических элементов с помощью кольцевых генераторов; 3) проведение измерений времени переключения инверторов на пластине с помощью кольцевых генераторов.

Общие сведения

Сверхбыстродействующие цифровые интегральные схемы представляют собой одно из наиболее перспективных направлений применения арсенид-галлиевой технологии. На сегодняшний день в логических схемах на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) достигнуто время задержки на переключение для одного логического элемента 15 пс при температуре 300 К. Для транзисторов с высокой подвижностью электронов типа НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) и 5,8 пс при температуре 77 К. Таким образом, схемы на GaAs являются наиболее быстродействующими из твердотельных схем.

1.  Типы логических схем на GaAs.

На рисунках 1, 2, 3 приведены принципиальные схемы базовых инверторов трех типов.

Рисунок 1. Схема инвертора на полевых транзисторах с непосредственными связями.

На рисунке 1 приведена схема инвертора на полевых транзисторах с непосредственными связями. Достоинством таких логических схем являются простота схемы и малое число элементов в логическом вентиле. Это обусловливает меньшие паразитные связи, более высокую степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и боле высокое быстродействие этих схем по сравнению с другими типами логических схем на GaAs.

Для создания инвертора, показанного на рисунке 1, используются два типа транзисторов. На входе такого инвертора находится нормально-закрытый транзистор, а в нагрузке нормально-открытый транзистор.

Рис. 2. Вольтамперные характеристики ПТШ в режиме обогащения
(Uзи отс = +0,15 В) (нормально-закрытый транзистор).

Рис. 3. Вольтамперные характеристики ПТШ в режиме обеднения
(Uзи отс = -0,8 В) (нормально-открытый транзистор).

Рис. 4. Вольтамперные характеристики инвертора на нормально-закрытых (НЗ)
и нормально-открытых транзисторах (НО).

Рис. 5. Передаточные характеристики инвертора с однозатворным
НЗ ПТШ на входе

Логическая схема такого типа функционирует следующим образом. Когда входное напряжение , приложенное к затвору переключающего нормально-закрытого транзистора мало (меньше, чем пороговое напряжение этого транзистора), транзистор закрыт. В отсутствие разветвления по выходу, т. е. в случае, когда ни один логический элемент не присоединен к выходу данной схемы, выходное напряжение равно . Если к выходу присоединены другие логические элементы, то величина определяется входными характеристиками следующего за схемой каскада. Если используется арсенид-галлиевые транзисторы с затвором Шоттки, то величина ограничивается сверху напряжением, соответствующим открыванию затвора. Когда входное напряжение велико, переключающий транзистор открыт и выходное напряжение мало. Вольтамперные характеристики логического элемента, иллюстрирующие его работу, показаны на рисунке 4. Так как минимальное значение выходного напряжения в данной схеме равно нулю, величина выходного напряжения высокого логического уровня ограничивается высотой потенциального барьера затвора транзистора. Вследствие этого для схем с непосредственными связями присуща относительно небольшая величина напряжения перепада логических сигналов на выходе схемы и малый запас помехоустойчивости.

Другой разновидностью логических элементов является логический элемент на полевых транзисторах с буферным каскадом, который представлен на рисунке 2. Для работы такой схемы требуется два напряжения питания. Базовая схема инвертора включает логический каскад и каскад, выполняющий функцию формирователя и сдвига уровня. В этих схемах используются транзисторы с затвором Шоттки, работающие в режиме обеднения (нормально-открытые транзисторы). Поэтому для согласования входных и выходных уровней необходим сдвиг уровня выходного напряжения. Этот сдвиг осуществляется диодами Шоттки. Как правило, диоды Шоттки, введенные в буферный каскад (истоковый повторитель), выполняются на транзисторах с объединенными истоком и стоком. Необходимое число диодов определяется напряжением отсечки ключевого транзистора и в свою очередь определяет амплитуду напряжения перепада логических уровней. Логические схемы с истоковым повторителем обладают более высокой скоростью переключения, особенно в случае больших значений коэффициентов разветвления по выходу.

Рис. 6. Логический элемент на полевых транзисторах
с буферным каскадом

Промежуточным вариантом в этом классе логических элементов (инверторов) занимает логический элемент, показанный на рисунке 7. Он также изготавливается на одном типе транзисторов (нормально-открытых), однако содержит меньшее количество элементов но, для его работы также необходимо два источника питания.

Рис. 7.

Времена нарастания, спада и задержки инвертора

На рис. 8 показан отклик инвертора на импульс напряжения. Интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от высокого уровня (0,9) к низкому (0,1), называется временем спада при включении микросхемы. Интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от низкого уровня (0,1) к высокому (0,9), называется временем нарастания при включении микросхемы. Интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения высокого уровня к напряжению низкого уровня, измеренный

Рис. 8. Определение времени нарастания, спада и задержки

на уровне 0,5, называется временем задержки распространения сигнала при включении микросхемы . Аналогично определяется время задержки распространения сигнала при выключении микросхемы Интервал времени, равный полусумме времен задержки распростране­ния сигнала при включении логической микросхемы, называется средним временем задержки распространения. Время задержки представляет основной интерес в системах с большим числом ЛЭ, включенных последовательно. Общее время задержки системы от входа до выхода равно в этом случае времени задержки элемента, умноженного на их число. Прямые измерения , и описаны в литературе. Однако время задержки на вентиль обычно определяется косвенно путем измерения частоты генератора , состоящего из нечетного числа инверторов NR, соединенных по схеме кольцевого генератора. Время задержки рассчитывается как

(1)

Цепочка инверторов генерирует почти симметричный выходной импульс, который представляет собой сигнал, полученный вследствие усиления напряжения и растягивания из-за конечных времен спада и нарастания инвертора. Переходный процесс Uвыx(t) при изменении Uвх получен в результате интегрирования:

(2)

где Iн и Iт - мгновенные токи статического состояния, которые являются функциями Uвыx (t); IТ - функция величины Uвх (t). Переход выходного напряжения к высокому уровню вызван зарядом емкости узла через нагрузку (), тогда как переход к низкому уровню вызван разрядом емкости узла через транзистор (). Времена нарастания и спада получены путем введения соответствующих величин для Uвыx(t =0) и Uвых (t), а именно:

и

для времени нарастания и

и

для времени спада. Пределы интегрирования для времени нарастания

и .

Таким образом, уравнение (2) преобразуется в систему уравнений

,

, (3)

,

где круглые скобки показывают средние величины в диапазоне интегрирования. 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.

На практике для определения динамических характеристик элементов используют цепочку, состоящую из нечетного числа в нашем случае инверторов, с выхода которой сигнал подается на вход. Электрическая схема кольцевого генератора, состоящая из инверторов, показанных на рисунке 7, приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Электрическая схема кольцевого генератора

Для N – каскадного кольцевого генератора частота колебаний генератора равна

(4)

или для определения средней задержки на переключение будем иметь

, (5)

где Т – период колебаний равный .

Для проведения измерений на выходе кольцевого генератора после последнего нечетного инвертора, как правило, ставится еще один инвертор, после которого на выходе стоит истоковый повторитель с широким транзистором, сигнал с которого подается на осциллограф или частотомер. Так как входное сопротивление приборов составляет 50 Ом, то необходимо обеспечить на выходе сигнал с большим током.

Описание макета установки определения времени переключения логических элементов с помощью кольцевых генераторов

Блок схема представлена на рисунке 10. Объектом измерений служит тестовый кристалл, в состав которого входит три кольцевых генератора, имеющие 11, 17 и 23 логических элемента (инвертора). Инверторы в кольцевых генераторах изготовлены на одном типе (нормально - открытых) транзисторах, которые показаны на рисунке 7.

Порядок выполнения работы

1.  Включить осциллограф и блок питания, дать им прогреться в течение 20 мин.

2.  Проверить, что коммутация блоков макета установки соответствует блок-схеме.

3.  Включить освещение микроскопа зондовой установки.

4. 

Установить зонды 1, 2, 3 на контактные площадки кольцевого генератора в соответствие с указанными в тестовом кристалле обозначениями для каждого кольцевого генератора.

Рис 10. Блок схема установки для измерения: 1 – осциллограф; 2 – блок питания; 3 – подвижные зонды; 4 – ВЧ зонд; 5 – пластина с тестовыми кристаллами

5.  Установить высокочастотный зонд 4, имеющий нагрузку 50 Ом, на выходную площадку истокового повторителя.

6.  Установить на блоке питания напряжение 4,0 В.

7.  На экране прибора будет наблюдаться сигнал в виде периодических колебаний.

8.  По экрану осциллографа определить период колебаний генератора.

9.  Установить на блоке питания напряжение 5,0 В и повторить измерение периода генерации при этом напряжении.

10.  Повторить измерения п. п. 4 – 9 для всех трех кольцевых генераторов с 11, 17, 23 логическими элементами, находящихся в составе тестового кристалла.

Обработка результатов измерения

1.  Внести в таблицу 1 полученные в результате измерений значения периода колебаний трех кольцевых генераторов для двух напряжений питания.

2.  Определить по формуле 5 время задержки на переключения инверторов для каждого кольцевого генератора.

3.  Полученные результаты также занести в таблицу.

Таблица 1

Количество инверторов в КГ	ЕП = 4,0 В	ЕП = 5,0 В
Т нсек	Τ псек	Т нсек	Τ псек
11
17
23

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.  Краткий конспект описания лабораторной работы с основными зависимостями, графиками, блок схему макета измерительной установки и методику определения времени задержки на переключение логических элементов.

2.  Полученные результаты измерения времени задержки на переключение инверторов.

Требования техники безопасности

При выполнении работы по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию №24-03 по охране труда при выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях лаборатории кафедры КФН ауд.4120, 4242, 4343».

Контрольные вопросы

1.  Элементная база цифровых интегральных схем на основе эпитаксиальных структур и гетероструктур на арсениде галлия.

2.  Методика определения времени переключения логических элементов с помощью кольцевого генератора.

3.  Блок схема измерительной установки.

Литература

1.  М. Шур. Современные приборы на арсениде галлия. Москва, «Мир», 1991.

2.  Д. В. Ди Лоренцо, . Полевые транзисторы на арсениде галлия. Москва, Радио и звязь, 1988.