Лекция. Изготовление процессоров
Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.
Микропроцессор содержит миллионы транзисторов , соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.
Один из главных параметров работы микпроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора).
Как делают микросхемы
Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник - это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная .
Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная - к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы - основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом - при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.
Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время - 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?
Как устроен КМОП-транзистор
Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток . Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).
Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится.
Рис. 1. Принцип работы КМОП-транзистора
Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток - говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.
Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов.
Вот изображение поперечного сечения процессора:
Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.
Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).
Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого - получение кремниевых подложек.
Шаг 1. Выращивание болванок
Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)
Шаг 3. Нанесение фоторезистива
Шаг 4. Литография
Шаг 5. Травление
Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)
Шаг 7. Напыление и осаждение
Шаг 8. Заключительный этап
Перспективные технологии
Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n -МОП и p -МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (рис. 4.17 ) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.
На рис. 4.5.2. приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n -каналом (VТ n ) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р -каналом (VТ p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.
Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+E П ), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТ n , а в качестве нагрузочного – VТ p .
Рис. 4.17.1. КМОП инвертор
Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов
Инвертор (рис. 4.17 ) построен так, что исток VТ p соединен с E n , а исток VТ n – с землей. Затворы VТ n и VТ p объединяются и служат входом инвертора, стоки VТ n и VТ p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТ n и VТ p: U зип = U вх, U зир = U вх -Е п
U зип – напряжение затвор-исток n -канального транзистора (VТ n );
U зир – напряжение затвор-исток р -канального транзистора (VТ р ).
При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТ n и VТ p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение U Пп = ½U Пр ½=1,5В.
U Пп - пороговое напряжение n -канального транзистора;
U Пр - пороговое напряжение p -канального транзистора.
Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 4.18-а ), на которой можно выделить четыре участка и зависимости U ЗИ = f (U BX ) (рис. 4.18-б ).
Участок 1: U 0 вх £ U Пп . При этом U зип = U вх и VТ n закрыт, U зир = U вх - Е п < U Пр и VТ p открыт.
Рис. 4.18. Характеристики КМОП инвертора:
а) ХВВ, б) U ЗАТВОР-ИСТОК = f(U ВХ); в) I ПОТР = f(U BX)
VТ n закрыт), VТ p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к E П (U 1 ВЫХ » E П).
Участок II: U П > U ВХ > U Пп,
где U П - напряжение, при котором происходит переключение схемы
и U ВЫХ = 0,5(U 1 - U 0). U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n начинает открываться, U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ p открыт.
На этом участке ½U ЗИП ½< ½U ЗИР ½, поэтому VТ p будет оставаться в насыщении, а VТ n – в активном режиме.
VТ n .
Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТ p , за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТ p все еще находится в насыщении.
Точка U П : U ВХ = U П =0,5Е П;
U ЗИП =U ВХ = U П > U Пп , и VТ n открыт; 0,5Е П < U Пр и VТ p открыт.
В этой точке |U ЗИП |=|U ЗИР | следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (U ВЫХП =0,5E П). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.
Участок III: Е П - ½U Пр ½ > U ВХ > U П ; U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n открыт; U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ Р открыт, но с ростом U ВХ становится все менее и менее открытым.
На этом участке U ЗИП > |U ЗИР |, и поэтому VТ n находится в насыщении, a VТ p – в активном режиме.
Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ p .
Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТ n . Так как VТ n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом U BX оно все более и более уменьшается.
Участок IV: Е п > U вх > Е п - ½U Пр ½; U зип = U вх > U Пп и V n открыт; U зир = U вх -Е п >U зип и VТ p закрыт.
В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ p закрыт). VТ n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (U вых » 0).
Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а ), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (U вх = U П )лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (Е П >U вх > 0). При Е П = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом E П абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от Е П (U 0 вх.макс » 0.3Е П , U 1 вх.мин » 0.7Е П ).
Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10 12 ¸10 13 Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.
Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТ n или VТ p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10 2 ¸10 3 Ом.
Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.
Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.
Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.
Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.
В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10 -6 -10 -7 А).
В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда U ЗИП и ½U ЗИР ½> U ПОР и оба транзистора VТ n и VТ p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.
При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEf П где f П – частота переключения схемы.
К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U 1 вх.мин для КМОП схем было бы больше E П - |U ПР | длянадежного запирания VТ p . Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к E П .
Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.
На рис. 4.19 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 4.20) .
В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.
Рис. 4.19. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП
Рис. 4.20. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП
Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 4.21) .
Рис. 4.21. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества
Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.
Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:
Е П =3¸15В; U 0 =0,01В (при Е П =5В и I н =0); U 1 =4,99В (при Е П =5В и I н =0); I 0 вх =0,2мкА; I 1 вх =0,2мкА; I П =0,17мА (при Е П =10В, F =100кГц и С н =50пФ); t з =80нс; I 0 вых =0,9мА (при U 0 вых =0,5В и Е П =10В); I 1 вых =0,9мА (при U 1 вых =Е П -0,5В и Е П =10В); С н = 200пФ; С вх =12пФ.
Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).
Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке.
Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.
Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.
Так появился МОП-транзистор , а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.
Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.
Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.
Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.
Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 - 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 - 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.
Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.
За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.
Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.
На рисунке показан классический базовый элемент (вентиль), который осуществляет инверсию входного сигнала (элемент НЕ). То есть если на вход приходит логическая единица, то с выхода снимается логический ноль и наоборот. Здесь наглядно показана комплементарная пара транзисторов с затворами "n" и "p" типов.
На следующем рисунке показан базовый элемент 2И - НЕ. Хорошо видно, что резисторы, которые присутствуют в аналогичном элементе ТТЛ микросхемы, здесь отсутствуют. Из двух таких элементов легко получить триггер, а из последовательного ряда триггеров прямая дорога к счётчикам, регистрам и запоминающим устройствам.
При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.
Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.
Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и металлический браслет, одеваемый на руку работнику.
Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.
Логические КМОП (КМДП) инверторы
Микросхемы на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-микросхемы) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП схему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток от источника питания через микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-инвертор)
В результате этой особенности КМОП-микросхем, они обладают преимуществом перед рассмотренными ранее видами — потребляют ток в зависимости от поданной на вход тактовой частоты. Примерный график зависимости потребления тока КМОП-микросхемы в зависимости от частоты ее переключения приведен на рисунке 2
Рисунок 2. Зависимоть тока потребления КМОП микросхемы от частоты
Логические КМОП (КМДП) элементы "И"
Схема логического элемента "И-НЕ" на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой "И" на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ " , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП), приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ" , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)
В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный , однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий — то закрываются.
В приведённой на рисунке 2 схеме логического КМОП-элемента "И", ток от источника питания на выход КМОП-микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП-элемента "И" будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП-микросхемой от источника питания потребляться не будет.
Условно-графическое изображение КМОП логического элемента "2И-НЕ" показано на рисунке 4, а таблица истинности приведена в таблице 1. В таблице 1 входы обозначены как x 1 и x 2, а выход — F .
Рисунок 4. Условно-графическое изображение логического элемента "2И-НЕ"
Таблица 1. Таблица истинности КМОП-микросхемы, выполняющей "2И-НЕ"
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Рисунок 5. Принципиальная схема логического элемента "ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах
В схеме КМОП логического элемента "2ИЛИ-НЕ" в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП-микросхемы не будет.
Таблица истинности логического элемента "2ИЛИ-НЕ" , реализуемая КМОП микросхемой, приведена в таблице 2, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 6.
Рисунок 6. элемента "2ИЛИ-НЕ"
Таблица 2. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
В настоящее время именно КМОП-микросхемы получили наибольшее развитие. Причём наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания данных микросхем. Первые серии КМОП-микросхем, такие как К1561 (иностранный аналог C4000В) обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (3..18В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается её предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные КМОП-микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания, например, SN74HC.
Особенности применения КМОП-микросхем
Первой и основной особенностью КМОП-микросхем является большое входное сопротивление этих микросхем. В результате на ее вход может наводиться любое напряжение, в том числе и равное половине напряжения питания, и храниться на нём достаточно долго. При подаче на вход КМОП-элемента половины питания открываются транзисторы как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада, в результате микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и может выйти из строя . Вывод: входы цифровых КМОП-микросхем ни в коем случае нельзя оставлять неподключенными!
Второй особенностью КМОП-микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании. Однако работают они чаще всего неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора
Диоды VD1 и VD2 были введены для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством. В то же самое время при подаче на вход КМОП-микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадёт на шину питания микросхемы, и так как она потребляет достаточно малый ток, то КМОП микросхема начнёт работать. Однако в ряде случаев этого тока может не хватить для питания микросхем. В результате КМОП микросхема может работать неправильно. Вывод: при неправильной работе КМОП микросхемы тщательно проверьте питание микросхемы , особенно выводы корпуса. При плохо пропаянном выводе отрицательного питания его потенциал будет отличаться от потенциала общего провода схемы.
Четвёртая особенность КМОП-микросхем &mdash это протекание импульсного тока по цепи питания при ее переключении из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при переходе с ТТЛ микросхем на КМОП микрохемы-аналоги резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно, и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу или BICMOS микросхем.
Логические уровни КМОП-микросхем
Логические уровни КМОП-микросхем существенно отличаются от . При отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП-микросхемы совпадает с напряжением питания (логический уровень единицы) или с потенциалом общего провода (логический уровень нуля). При увеличении тока нагрузки напряжение логической единицы может уменьшается до 2,8В (U п =15В) от напряжения питания. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой КМОП микросхемы (серия микросхем К561) при пятивольтовом питании показан на рисунке 8.
Рисунок 8. Уровни логических сигналов на выходе цифровых КМОП-микросхем
Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Для КМОП-микросхем договорились о 30% запасе. Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП-микросхем при пятивольтовом питании приведены на рисунке 9.
Рисунок 9. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП-микросхем
При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы можно определить точно так же (разделить напряжение питания на 3).
Семейства КМОП-микросхем
Первые КМОП-микросхемы не имели защитных диодов на входе, поэтому их монтаж представлял значительные трудности. Это семейство микросхем серии К172. Следующее улучшенное семейство КМОП микросхем серии К176 получило эти защитные диоды. Оно достаточно распространено и в настоящее время. Серия К1561 завершает развитие первого поколения КМОП микросхем. В этом семействе было достигнуто быстродействие на уровне 90 нс и диапазон изменения напряжения питания 3 ... 15В. Так как в настоящее время распространена иностранная аппаратура, то приведу иностранный аналог этих КМОП микросхем — C4000В.
Дальнейшим развитием КМОП-микросхем стала серия SN74HC. Эти микросхемы отечественного аналога не имеют. Они обладают быстродействием 27 нс и могут работать в диапазоне напряжений 2 ... 6 В. Они совпадают по цоколёвке и функциональному ряду с , но не совместимы с ними по логическим уровням, поэтому одновременно были разработаны КМОП микросхемы серии SN74HCT (отечественный аналог — К1564), совместимые с ТТЛ микросхемами и по логическим уровням.
В это время наметился переход на трёхвольтовое питание. Для него были разработаны КМОП-микросхемы SN74ALVC с временем задержки сигнала 5,5 нс и диапазоном питания 1,65 ... 3,6 В. Эти же микросхемы способны работать и при 2,5 вольтовом питании. Время задержки сигнала при этом увеличивается до 9 нс.
Наиболее перспективным семейством КМОП-микросхем в настоящее время считается семейство SN74AUC с временем задержки сигнала 1,9 нс и диапазоном питания 0,8 ... 2,7 В.
Логические элементы КМОП
Эквивалентные схемы элементов, представленных выше, можно получить, используя только PMOS-транзисторы. Однако наибольший интерес представляет совместное применение PMOS и NMOS-транзисторов. Такая технология наиболее популярна сегодня и называется CMOS-технологией. Она обеспечивает максимальное быстродействие работы элементов при низком энергопотреблении по сравнению со всеми другими технологиями.
В NMOS-цепях логические функции реализовались комбинацией соединений NMOS-транзисторов, объединенных с токоограничивающим элементом.
Т.к. все элементы, построенные на NMOS-транзисторах реализуют отрицательные функции (НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ), то их можно условно представить так, как показано на блок-схеме рисунка 1.9.
Рисунок 1.9 - Структура NMOS-схемы
При этом все транзисторные цепи объединены в блок PDN (Pull-down Network) – блок отрицательной логики. Для реализации прямых логических функций необходимо соединение двух отрицательных элементов, что снижает быстродействие всего элемента в целом. Концепция CMOS-цепей основана на реализации прямых функций (И, ИЛИ) на PMOS-транзисторах таким образом, что блоки прямой логики (PUN – Pull-up Network) и блоки отрицательной логики (PDN - Pull-down Network) являются дополнениями друг друга. Тогда логическая схема, реализующая типичный логический элемент, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.10.
Рисунок 1.10 - Структура CMOS-схемы
Для любой комбинации входных сигналов PDN устанавливает уровень логического нуля на выходе V f , или PUN устанавливает на этом выходе уровень логической единицы. PDN и PUN имеют равное количество транзисторов, которые размещены так, что эти два блока работают параллельно. Там, где PDN включает NMOS-транзисторы, соединенные последовательно, PUN строится на PMOS-транзисторах, соединенных параллельно, и наоборот.
Самый простой пример CMOS-схемы - инвертор, показан на рисунке 1.11.
Рисунок 1.11 - Реализация CMOS-инвертора
Когда сигнал V x =0V, транзистор T2 закрыт, а транзистор T1 открыт. Следовательно, V f =5V, и так как T2 закрыт, ток через транзисторы не течет. Когда V x =5V, то T2 открыт, а T1 закрыт. Таким образом, V f =0V, и тока в цепи по прежнему не будет, т.к. транзистор T1 закрыт. Это свойство справедливо для всех CMOS-цепей – логические элементы практически не потребляют ток в статическом режиме. Ток в таких цепях будет протекать только во время переключения элементов (вот почему, с ростом частоты работы устройств, построенных по этой технологии, возрастает и энергопотребление). Вследствие этого, CMOS-схемы стали наиболее популярной технологией при реализации цифровых логических устройств.
Рисунок 1.12 представляет принципиальную электрическую схему логического элемента И-НЕ CMOS. Реализация этого элемента подобна NMOS-схеме, представленной на рисунке 1.5 за исключением того, что токоограничивающий резистор был заменен блоком PUN, состоящим из двух PMOS-транзисторов, соединенных параллельно. Таблица истинности на рисунке показывает состояние каждого из этих четырех транзисторов для каждой логической комбинации вводов x 1 и x 2 . Легко проверить, что данная схема реализует логическую функцию И-НЕ. В статическом состоянии отсутствует путь для протекания тока от V DD к Gnd.
Рисунок 1.12 - CMOS-реализация логического элемента И-НЕ
Схема на рисунке 1.12 может быть получена исходя из логического выражения, которое определяет логическую функцию И-НЕ, . Это выражение определяет состояния, при которых f = 1; следовательно, оно определяет поведение блока PUN. Так как этот блок состоит из PMOS-транзисторов, которые открываются при подаче на их входы логического нуля, входная переменная x i открывает транзистор, если x i =0. По правилу де Моргана мы имеем:
Таким образом f = 1 , когда либо вход x 1 , либо вход x 2 имеют значение логического нуля, что означает что PUN должен иметь два PMOS-транзистора, соединенных параллельно. Блок PDN должен дополнять функцию f, которая имеет вид:
f = x 1 x 2
Функция f = 1 , когда оба входа x 1 и x 2 равны 1, поэтому блок PDN должен иметь два NMOS-транзистора, соединенных последовательно.
Схема для CMOS-реализации элемента ИЛИ-НЕ может быть получена из логического выражения.
