Напряжение источника питания равно
На входе логического элемента действует напряжение:
Пороговое напряжение транзистора при нулевом напряжении затвор-исток выражается из формулы для нахождения помехоустойчивости:
Максимальный ток, при котором открыты ключевые транзисторы Т1 и Т2 в nМОП ключе, находится из выражения:
Напряжение смещения затвора нагрузочного транзистора (чтобы он работал в крутой области) рассчитывается по формуле:
Для расчета крутизн nМОП ключа, необходимо рассмотреть совместную выходную ВАХ работы этого ключа. На рис.1 представлена такая совместная ВАХ трех транзисторов: нагрузочного Т3 и двух ключевых транзисторов Т1 и Т2, включенных параллельно, таким образом, что реализуется логическая схема ИЛИ-НЕ. Рассмотрим два случая, обозначенные на графике точками 1 и 2.
Случай 1. Потенциалы на обоих затворах ключевых транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и равны уровню логической \SYMBOL 132 \f "Times New Roman Cyr"1\SYMBOL 147 \f "Times New Roman Cyr". Тогда при одинаковых транзисторах Т1 и Т2 ток нагрузочного транзистора Т3 равен:
и он не должен превышать ток указанный в техническом задании. А выходное напряжение ключа должно быть меньше, чем уровень логического \SYMBOL 132 \f "Times New Roman Cyr"0\SYMBOL 147 \f "Times New Roman Cyr":
Следовательно, точка 1 будет описываться следующей системой уравнений:
Эту систему можно преобразовать к виду:
Случай 2. В этом случае на одном из ключевых транзисторов действует уровень логической \SYMBOL 132 \f "Times New Roman Cyr"1\SYMBOL 147 \f "Times New Roman Cyr", а на другом - уровень логического \SYMBOL 132 \f "Times New Roman Cyr"0\SYMBOL 147 \f "Times New Roman Cyr". Поэтому весь ток протекающий через нагрузочный транзистор Т3 равен току протекающему только через один из двух ключевых транзисторов:
причем:
А выходной потенциал не должен превышать указанный уровень логического \SYMBOL 132 \f "Times New Roman Cyr"0\SYMBOL 147 \f "Times New Roman Cyr". В результате точка 2 на графике будет описана второй системой уравнений:
Затем эту систему можно привести к уравнению вида:
По этому уравнению можно сразу рассчитать отношение крутизн. Затем из уравнения выведенного в первом случае, после раскрытия скобок, преобразования и приведения подобных, получим уравнение вида:
,
где
тогда решением квадратного уравнения будет:
Воспользовавшись уравнениями из первого случая, находим соответствующие крутизны транзисторов, которые определяются как:
Размеры соответствующих транзисторов nМОП ключа выводятся из формулы для определения крутизны:
где удельная крутизна равна:
На размеры транзисторов накладывается дополнительное условие минимально допустимого размера элемента. Для поликремния эти условия равны:
т.е. при определении размеров канала, одна из двух величин (ширина или длина) должна быть равна минимально допустимому значению (в силу экономии места на пластине), а вторая величина соответственно должна быть больше или равна минимально допустимой. Затем производят округление полученных значений.
Расчет по указанным формулам производится с помощью программы написанной на языке Паскаль SOLVE.PAS, Текст которой, а также результат работы программы приведены на страницах 11\SYMBOL 133 \f "Times New Roman Cyr"13.
После расчета всех параметров, проводят моделирование nМОП ключа на ЭВМ в среде PSPICE. Программы моделирования и расчета логического ключа, а также значения потребляемой мощности, передаточной и переходной характеристик показаны на страницах 14\SYMBOL 133 \f "Times New Roman Cyr"16. По передаточной и переходной характеристикам определяются соответственно статические и динамические параметры схемы, значения которых сведены в одну общую таблицу на странице 17.