Принцип работы схемы кмоп. Элементная база различных логик: схемы, ттл, ттлш, кмоп

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

"ИЛИ" , выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы "2ИЛИ", рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" , выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 5.

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.

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).

ВВЕДЕНИЕ

Давайте поговорим о характеристиках идеального семейства логических микросхем. Они не должны рассеивать мощность, иметь нулевую задержку распространения сигнала, управляемые времена нарастания и спада сигнала, а также иметь помехоустойчивость, эквивалентную 50% размаха выходного сигнала.

Параметры современных семейств КМОП-микросхем (комплементарных МОП) приближаются к этим идеальным характеристикам.

Во-первых, КМОП-микросхемы рассеивают малую мощность. Типовое значение статической рассеиваемой мощности составляет порядка 10 нВ на один вентиль, которая образуется токами утечки. Активная (или динамическая) рассеваемая мощность зависит от напряжения источника питания, частоты, выходной нагрузки и времени нарастания входного сигнала, но ее типовое значение для одного вентиля при частоте 1 МГц и нагрузке емкостью 50 пФ не превышает 10 мВт.

Во-вторых, время задержки распространения сигнала в КМОП-вентилях хотя и не равно нулю, но достаточно мало. В зависимости от напряжения источника питания, задержка распространения сигнала для типового элемента находится в диапазоне от 25 до 50 нс.

В третьих, времена нарастания и спада контролируемы, и представляют собой скорее линейные, чем ступенчатые функции. Обычно времена нарастания и спада имеют на 20-40% большие значения, чем время задержки распространения сигнала.

И, наконец, типовое значение помехоустойчивости приближается к 50% и составляет приблизительно 45% от амплитуды выходного сигнала.

Еще одним немаловажным фактором, свидетельствующим в пользу КМОП-микросхем, является их малая стоимость, особенно при использовании в портативном оборудовании, питающемся от маломощных батарей.

Источники питания, в системах, построенных на КМОП-микросхемах, могут быть маломощными, и, как следствие, недорогими. Благодаря малой потребляемой мощности, подсистема питания может быть проще, а значит дешевле. В радиаторах и вентиляторах нет необходимости, благодаря низкой рассеиваемой мощности. Непрерывное совершенствование технологических процессов, а также увеличение объемов производства и расширение ассортимента выпускаемых КМОП-микросхем приводит к снижению их стоимости.

Существует множество серий логических микросхем КМОП-структуры. Первой из них была серия К176, далее К561 (CD4000AN) и КР1561 (CD4000BN), но наибольшее развитие функциональные ряды получили в сериях КР1554 (74ACxx), КР1564 (74HCxx) и КР1594 (74ACTxx).

Функциональные ряды современных КМОП-микросхем серий КР1554, КР1564 и КР1594 содержат полнофункциональные эквиваленты микросхем ТТЛШ-серий КР1533 (74ALS) и К555 (74LS), которые полностью совпадают как по выполняемым функциям, так и по разводке выводов (цоколевке). Современные КМОП-микросхемы по сравнению с их прототипами, сериями К176 и К561, потребляют значительно меньшую динамическую мощность и многократно превосходят их по быстродействию.

Для упрощения схемотехнических решений, разработаны КМОП-серии с входным пороговым напряжением ТТЛ-уровней (КР1594 и некоторые другие), так и КМОП-уровней (КР1554, КР1564 и некоторые другие). Диапазон рабочих температур для микросхем общего применения находится в пределах -40-+85С, и -55-+125С —специального применения. В табл. 1 приведено сравнение входных и выходных характеристик КМОП и ТТЛШ-микросхем.

Таблица 1. Сравнение электрических параметров КМОП и ТТЛШ-схем

ТЕХНОЛОГИЯ	КМОП с ПКК-затвором	Улучш. КМОП с ПКК-затвором	КМОП с Метали-ческим.-затвором	Стан-дартн.	Малопо-требля-ющая ТТЛШ	Улучшенная Малопотреб-ляющая ТТЛШ	Быстро-действу-ющая ТТЛШ


Power dissipation per gate (mW)
Статическая
При частоте 100 кГц
Время задержки распространения (нс) (CL = 15 пФ)
Максимальная тактовая частота (МГц) (CL = 15 пФ)
Минимальный выходной ток (мА)
Стандартные выходы

Коэффициент разветвления по выходу (Нагрузка на на один вход К555)
Стандартные выходы
Выходы с повышенной нагрузочной способностью
Максимальный входной ток, IIL (мА) (VI = 0,4 В)

ХАРАКТЕРИСТИКИ КМОП-МИКРОСХЕМ

Цель данного раздела заключается в том, чтобы дать разработчику системы необходимые сведения о том, как работают цифровые микросхемы структуры КМОП и ведут себя при воздействии различных управляющих сигналов. Достаточно много было написано о конструкции и технологии производства микросхем КМОП, поэтому здесь рассмотрим только схемотехнические особенности микросхем этого семейства.

Основной КМОП-схемой является инвертор, показанный на рис. 1. Он состоит из двух полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения: с каналом P-типа (верхний) и каналом N-типа (нижний). Для обозначения выводов питания приняты: VDD или VCC — для положительного вывода и VSS или GND — для отрицательного. Обозначения VDD и VCC позаимствованы из обычных МОП-схем и символизируют источники питания истока и стока транзисторов. Они не относятся непосредственно к схемам КМОП, поскольку выводами питания являются истоки обоих комплементарных транзисторов. Обозначения VSS или GND позаимствованы от ТТЛ-схем, и эта терминология сохранилась и для КМОП-микросхем. Далее будут указываться обозначения VCC и GND.

Логическими уровнями в КМОП-системе являются VCC (логическая “1”) и GND (логический “0”). Поскольку ток, протекающий во “включенном” МОП-транзисторе практически не создает на нем падения напряжения, и поскольку входное сопротивление КМОП-вентиля очень велико (входная характеристика МОП-транзистора, в основном, емкостная и выглядит подобно вольтамперной характеристике МОП-транзистора сопротивлением 1012 Ом, зашунтированного конденсатором емкостью 5 пФ), то и логические уровни в КМОП-системе будут практически равны напряжению источника питания.

Теперь давайте посмотрим на характеристические кривые МОП-транзисторов, для того чтобы получить представление о том, как времена нарастания и спада, задержки распространения сигнала и рассеиваемая мощность будут изменяться с изменением напряжения источника питания и емкости нагрузки.

На рис. 2 показаны характерные кривые N-канального и P-канального полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения.

Из этих характеристик следует ряд важных выводов. Рассмотрим кривую для N-канального транзистора с напряжением Затвор-Исток равным VGS=15 В. Следует заметить, что для постоянного управляющего напряжения VGS, транзистор ведет себя, как источник тока для значений VDS (напряжение Сток-Исток) больших, чем VGS-VT (VT-пороговое напряжение МОП-транзистора). Для значений VDS меньше VGS-VT транзистор ведет себя, в основном, подобно резистору.

Следует также заметить, что для меньших значений VGS кривые имеют аналогичный характер, за тем исключением, что величина IDS значительно меньше, и, в действительности, IDS возрастает пропорционально квадрату VGS. P-канальный транзистор имеет практически одинаковые, но комплементарные (дополняющие) характеристики.

В случае управления емкостной нагрузкой с помощью КМОП-элементов, начальное изменение напряжения, приложенного к нагрузке, будет иметь линейный характер, благодаря “токовой” характеристике на начальном участке, получаемой округлением преобладающей резистивной характеристики, когда значение VDS мало отличается от нуля. Применительно к простейшему КМОП-инвертору, показанному на рис. 1, по мере уменьшения напряжения VDS до нуля, выходное напряжение VOUT будет стремиться к VCC или GND, в зависимости от того, какой транзистор открыт: P-канальный или N-канальный.

Если увеличивать VCC, и, следовательно, VGS, инвертор должен развивать на конденсаторе большую амплитуду напряжения. Однако, для одного и того же приращения напряжения, нагрузочная способность IDS резко возрастает, как квадрат VGS, и поэтому времена нарастания и задержки распространения сигнала, показанные на рис. 3, уменьшаются.

Таким образом, можно видеть, что для данной конструкции, и, следовательно, фиксированного значения емкости нагрузки, увеличение напряжения источника питания увеличит быстродействие системы. Увеличение VCC увеличит быстродействие, но также и рассеиваемую мощность. Это верно по двум причинам. Во-первых, произведение CV2f, а значит мощность, возрастают. Это мощность, рассеиваемая в КМОП-схеме, или любой аналогичной схеме, по названной выше причине, при управлении емкостной нагрузкой.

Для указанных значений емкости нагрузки и частоты переключения, рассеиваемая мощность возрастает пропорционально квадрату падения напряжения на нагрузке.

Вторая причина заключается в том, что произведение VI или мощность, рассеиваемая на КМОП-схеме, возрастает с ростом напряжения источника питания VCC (для VCC>2VT). Каждый раз, когда схема переключается из одного состояния в другое, кратковременно возникает сквозной ток, протекающий от VCC к GND через два одновременно открытых выходных транзистора.

Поскольку пороговые напряжения транзисторов не изменяются с ростом VCC, то диапазон входного напряжения, в пределах которого верхний и нижний транзисторы одновременно находятся в проводящем состоянии, увеличивается с ростом VCC. В то же время, большее значение VCC обеспечивает большие значения управляющих напряжений VGS, которые также приводят к увеличению токов JDS. В связи с этим, если время нарастания входного сигнала равняется нулю, то через выходные транзисторы не было бы сквозного тока от VCC к GND. Эти токи возникают по той причине, что фронты входного сигнала имеют конечно малые времена нарастания и спада, и, следовательно, входное напряжение требует определенного конечно малого времени для прохождения диапазона, в котором два выходных транзистора включены одновременно. Очевидно, что времена нарастания и спада фронтов входного сигнала должны иметь минимальное значение, для уменьшения рассеиваемой мощности.

Давайте взглянем на передаточные характеристики (рис. 5), как они изменяются с изменением питающего напряжения VCC. Условимся считать, что оба транзистора в нашем простейшем инверторе имеют идентичные, но комплементарные характеристики и пороговые напряжения. Предположим, что пороговые напряжения, VT, равны 2V. Если VCC меньше порогового напряжения 2V, ни один из транзисторов не может быть включен, и схема работать не будет. На рис. 5а показана ситуация, когда напряжение источника питания в точности соответствует пороговому напряжению. В таком случае схема должна работать со 100% гистерезисом. Однако, это не совсем гистерезис, поскольку оба выходных транзистора закрыты, и выходное напряжение поддерживается на емкостях затворов, следующих по цепи схем. Если VCC находится в пределах одного и двух пороговых напряжений (рис. 5б), происходит уменьшение величины “гистерезиса”, по мере приближения VCC к значению, эквивалентному 2VT (рис. 5в). При напряжении VCC, эквивалентном двум пороговым напряжениям, “гистерезис” отсутствует; также нет сквозного тока через два одновременно открытых выходных транзистора в моменты переключений. Когда значение VCC превышает два пороговых напряжения, кривые передаточной характеристики начинают закругляться (рис. 5г). Когда VIN проходит через область, где оба транзистора открыты, т.е. в проводящем состоянии, токи, протекающие в каналах транзисторов, создают падения напряжений, дающие закругления характеристик.

Рассматривая КМОП-систему на предмет шума, необходимо рассматривать, по крайней мере, две характеристики: помехоустойчивость и запас помехоустойчивости.

Современные КМОП-схемы имеют типичное значение помехоустойчивости равное 0,45VCC. Это означает, что ложный входной сигнал, равный 0,45VCC или менее отличающийся от VCC или GND, не будет распространяться в системе, как ошибочный логический уровень. Это не означает, что на выходе первой схемы вообще не появится никакого сигнала. На самом деле, в результате воздействия сигнала помехи, на выходе появится выходной сигнал, но он будет ослаблен по амплитуде. По мере распространения этого сигнала в системе, он будет ослаблен последующими схемами еще больше, пока он совсем не исчезнет. Обычно такой сигнал не изменяет выходное состояние логического элемента. В обычном триггере, ложный входной синхронизирующий импульс амплитудой 0,45VCC не приведет к изменению его состояния.

Производитель КМОП-микросхем также гарантирует наличие запаса помехоустойчивости 1 Вольт во всем диапазоне питающих напряжений и температур и для любой комбинации входов. Это всего лишь отклонение характеристики помехоустойчивости, для которой гарантирован особый набор входных и выходных напряжений. Другими словами, из данной характеристики следует, что для того, чтобы выходной сигнал схемы, выраженный в Вольтах, находился в пределах 0,1VCC от значения соответствующего логического уровня (“нуля” или “единицы”), входной сигнал не должен превышать значение 0,1VCC плюс 1 Вольт выше уровня “земли” или ниже уровня “питания”. Графически данная ситуация показана на рис. 4.

Данные характеристики близко напоминают запас помехоустойчивости стандартных ТТЛ-схем, который составляет 0,4 В (рис. 6). Для полноты картины зависимости выходного напряжения VOUT от входного VIN, приведем кривые передаточных характеристик (рис. 5).

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМЕ

В данном разделе рассмотрены различные ситуации, возникающие при разработке системы: неиспользуемые входы, параллельное включение элементов для увеличения нагрузочной способности, разводка шин данных, согласование с логическими элементами других семейств.

НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ВХОДЫ

Проще говоря, неиспользуемые входы не должны быть оставлены не подключенными. По причине очень большого входного сопротивления (1012 Ом), плавающий вход может дрейфовать между логическими “нулем” и “единицей”, создавая непредсказуемое поведение выхода схемы и связанные с этим проблемы в системе. Все неиспользуемые входы должны быть подключены к шине питания, “общему” проводу или другому используемому входу. Выбор совершенно не случаен, поскольку следует учитывать возможное влияние на выходную нагрузочную способность схемы. Рассмотрим, к примеру, четырехвходовый элемент 4И-НЕ, используемый, как двухвходовый логический вентиль 2И-НЕ. Его внутренняя структура показана на рис. 7. Пусть входы A и B будут неиспользуемыми входами.

Если неиспользуемые входы должны быть подключены к фиксированному логическому уровню, тогда входы A и B должны быть подключены к шине питания, чтобы разрешить работу остальных входов. Это приведет к включению нижних A и B транзисторов и выключению соответствующих верхних A и B. В таком случае, не более двух верхних транзисторов могут быть включены одновременно. Однако если входы A и B подключены к входу C, входная емкость утроится, но каждый раз, когда на вход C поступает уровень логического “нуля”, верхние транзисторы A, B и C — включаются, утраивая значение максимального выходного тока уровня логической “единицы”. Если на вход D поступает также уровень логического “нуля”, все четыре верхних транзистора — включены. Таким образом, подключение неиспользуемых входов элемента И-НЕ к шине питания (ИЛИ-НЕ к “общему” проводу) приведет к их включению, но подключение неиспользуемых входов к другим используемым входам гарантирует увеличение выходного вытекающего тока уровня логической “единицы”, в случае элемента И-НЕ (или выходного втекающего тока уровня логического “нуля”, в случае элемента ИЛИ-НЕ).

Для последовательно включенных транзисторов увеличения выходного тока не происходит. Учитывая это обстоятельство, многовходовый логический элемент может быть использован для непосредственного управления мощной нагрузкой, к примеру, обмоткой реле или лампой накаливания.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

В зависимости от типа логического элемента, объединение входов гарантирует увеличение нагрузочной способности для вытекающего или втекающего токов, но не двух одновременно. Для того чтобы гарантировать увеличение двух выходных токов необходимо параллельно включить несколько логических элементов (рис. 8). В таком случае, увеличение нагрузочной способности достигается за счет параллельного включения нескольких цепочек транзисторов (рис. 7), таким образом, увеличивая соответствующий выходной ток.

РАЗВОДКА ШИН ДАННЫХ

Для этого существует два основных способа. Первый способ — это параллельное соединение обычных буферных КМОП-элементов (например, ). И второй, наиболее предпочтительный, способ — соединение элементов с тремя выходными состояниями.

ФИЛЬТРАЦИЯ ПОМЕХ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Поскольку КМОП-схемы могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (3-15 В), необходима минимальная фильтрация. Минимальное значение напряжения источника питания определяется максимальной рабочей частотой самого быстрого элемента в системе (обычно очень небольшая часть системы работает на максимальной частоте). Фильтры должны быть выбраны из расчета поддержания питающего напряжения примерно посередине между указанным минимальным значением и максимальным напряжением, при котором микросхемы еще работоспособны. Однако если требуется минимизировать рассеиваемую мощность, напряжение источника питания должно быть выбрано как можно меньшим, при одновременном удовлетворении требований быстродействия.

МИНИМИЗАЦИЯ РАССЕИВАЕМОЙ МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ

Для того чтобы минимизировать энергопотребление системы, она должна работать на минимальной скорости, выполняя поставленную задачу при минимальном питающем напряжении. Мгновенные значения динамической (AC) и статической (DC) потребляемой мощностей возрастают, как при увеличении частоты, так и напряжения источника питания. Динамическая потребляемая мощность (AC) представляет собой функцию произведения CV2f. Это мощность, рассеиваемая в буферном элементе, управляющим емкостной нагрузкой.

Очевидно, что динамическая потребляемая мощность возрастает прямо пропорционально частоте и пропорционально квадрату напряжения источника питания. Она также возрастает с увеличением емкости нагрузки, определяемой, в основном, системой, и не является переменной величиной. Статическая (DC) потребляемая мощность рассеивается в моменты переключения и представляет собой произведение VI. В любом КМОП элементе возникает мгновенный ток от шины питания на “общий” провод (при VCC>2VT) рис. 9.

Максимальная амплитуда тока — это быстро возрастающая функция входного напряжения, которое, в свою очередь, представляет собой функцию напряжения источника питания (рис. 5г).
Действительная величина произведения VI мощности, рассеиваемой системой, определяется тремя показателями: напряжением источника питания, частотой и временами фронтов нарастания и спада входного сигнала. Очень важным фактором является время нарастания входного сигнала. Если время нарастания велико, рассеиваемая мощность возрастает, т.к. устанавливается токовый путь в течение всего времени, пока входной сигнал проходит область между пороговыми напряжениями верхнего и нижнего транзисторов. Теоретически, если время нарастания считать равным нулю, токовый путь не возникал бы, и VI мощность равнялась бы нулю. Однако, поскольку время нарастания имеет конечно малую величину, всегда появляется сквозной ток, который быстро возрастает с увеличением напряжения питания.

Есть еще одно обстоятельство, касающееся времени нарастания входного сигнала и потребляемой мощности. Если схема используется для управления большим числом нагрузок, время нарастания выходного сигнала будет возрастать. Это приведет к увеличению VI рассеиваемой мощности в каждом устройстве, управляемом такой схемой (но не в самой управляющей схеме). Если потребляемая мощность достигает критического значения, необходимо увеличить крутизну выходного сигнала параллельным включением буферных элементов или разделением нагрузок для того, чтобы уменьшить общую потребляемую мощность.

Теперь подведем итоги влияния эффектов напряжения источника питания, входного напряжения, времен нарастания и спада фронтов входного сигнала, емкости нагрузки на рассеиваемую мощность. Можно сделать следующие выводы:

Напряжение источника питания. Произведение CV2f рассеиваемой мощности возрастает пропорционально квадрату напряжения питания. Произведение VI рассеиваемой мощности возрастает приблизительно пропорционально квадрату напряжения источника питания.
Уровень входного напряжения. Произведение VI рассеиваемой мощности возрастает, если входное напряжение находится в пределах между “нулевым потенциалом (GND) плюс пороговое напряжение” и “напряжением питания (VCC) минус пороговое напряжение”. Наибольшая рассеиваемая мощность наблюдается, когда VIN приближается к 0,5 VCC. На произведение CV2f уровень входного напряжения влияния не оказывает.
Время нарастания входного сигнала. Произведение VI рассеиваемой мощности возрастает с увеличением времени нарастания, поскольку сквозной ток через одновременно открытые выходные транзисторы устанавливается на более продолжительное время. На произведение CV2f время нарастания входного сигнала влияния также не оказывает.
Емкость нагрузки. Произведение CV2f мощности, рассеиваемой в схеме, возрастает пропорционально емкости нагрузки. Произведение VI рассеиваемой мощности не зависит от емкости нагрузки. Однако увеличение емкости нагрузки приведет к увеличению времен нарастания фронтов выходного сигнала, что, в свою очередь, приведет к росту произведения VI рассеиваемой мощности в управляемых этим сигналом логических элементах.

СОГЛАСОВАНИЕ С ЛОГИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДРУГИХ СЕМЕЙСТВ

Существует два основных правила для согласования элементов всех других семейств с микросхемами КМОП. Во-первых, КМОП-схема должна обеспечивать необходимые требования по входным токам и напряжениям элементов других семейств. И, во-вторых, что еще важнее, амплитуда выходного сигнала логических элементов других семейств должна максимально соответствовать напряжению источника питания КМОП-схемы.

P-КАНАЛЬНЫЕ МОП-СХЕМЫ

Существует целый ряд требований, которые необходимо обеспечить при согласовании P-МОП и КМОП-схем. Во-первых, это набор источников питания с различными напряжениями. Большинство P-МОП-схем рассчитаны для работы при напряжении от 17 В до 24 В, в то время как схемы-КМОП рассчитаны на максимальное напряжение 15 В. Другой проблемой P-МОП-схем, в отличие от КМОП, является значительно меньшая амплитуда выходного сигнала, чем напряжение источника питания. Выходное напряжение P-МОП-схем изменяется в пределах практически от более положительного потенциала питающего напряжения (VSS) до нескольких вольт выше более отрицательного потенциала (VDD). Поэтому, даже в случае работы P-МОП-схемы от источника напряжением 15 В, амплитуда ее выходного сигнала все равно будет меньше необходимой, чтобы обеспечить согласование с КМОП-схемой. Существует несколько способов решения данной проблемы, в зависимости от конфигурации системы. Рассмотрим два способа построения системы полностью на МОП-схемах и один способ, когда в системе используются ТТЛШ-схемы.

В первом примере используются только P-МОП и КМОП-схемы с напряжением питания менее 15 В (см. рис. 10). В этой конфигурации КМОП-схема управляет P-МОП непосредственно. Однако P-МОП-схема не может управлять КМОП напрямую, поскольку ее выходное напряжение уровня логического нуля значительно превышает нулевой потенциал системы. Для “подтягивания” выходного потенциала схемы к нулю, вводится дополнительный резистор RPD. Его величина выбирается достаточно малой, чтобы обеспечить желаемую постоянную времени RC при переключении выхода из “единицы” в “ноль” и, в то же время, достаточно большой, чтобы обеспечить необходимую величину уровня логической “единицы”. Этот способ подходит также и для выходов P-МОП-схем с открытыми стоками.

Другим способом в полностью МОП-системе является применение источника опорного напряжения на основе обычного стабилитрона для формирования более отрицательного потенциала, питающего КМОП-схему (рис. 11).

В этой конфигурации используется источник питания P-МОП-схемы напряжением 17-24 В. Опорное напряжение выбирается таким образом, чтобы уменьшить напряжение питания КМОП-схем до минимального размаха выходного напряжения P-МОП-схемы. КМОП-схема может по-прежнему управлять P-МОП непосредственно, но теперь, P-МОП-схема может управлять КМОП без “подтягивающего” резистора. Другими ограничениями являются: питающее напряжение КМОП-схем, которое должно быть меньше 15 В, и необходимость обеспечения опорным источником достаточного тока для питания всех КМОП-схем в системе. Это решение вполне пригодно, если источник питания P-МОП-схемы должен быть больше 15 В, и потребляемый ток КМОП-схемами достаточно мал, чтобы его мог обеспечить простейший параметрический стабилизатор.

Если в системе используются ТТЛШ-схемы, то должны быть, по крайней мере, два источника питания. В таком случае, КМОП-схема может работать от однополярного источника и управлять P-МОП-схемой непосредственно (рис. 12).

N-КАНАЛЬНЫЕ МОП-СХЕМЫ

Согласование КМОП с N-МОП-схемами проще, хотя некоторые проблемы существуют. Во-первых, N-МОП-схемы требуют меньшего напряжения источника питания, обычно в диапазоне 5-12 В. Это позволяет согласовывать их с КМОП-схемами непосредственно. Во вторых, амплитуда выходного сигнала КМОП-схем находится в диапазоне практически от нуля до напряжения источника питания минус 1-2 В.

При более высоких значениях напряжения источника питания N-МОП и КМОП-схемы могут работать напрямую, поскольку выходной уровень логической единицы N-МОП-схемы будет отличаться от напряжения источника питания всего на 10-20%. Однако, при меньших значениях напряжения питания, напряжение уровня логической единицы будет меньше уже на 20-40%, поэтому необходимо включение “подтягивающего” резистора (рис. 13).

ТТЛ-, ТТЛШ-СХЕМЫ

При согласовании данных семейств с КМОП-схемами возникают два вопроса. Во-первых, достаточно ли напряжения уровня логической единицы биполярных семейств для непосредственного управления КМОП-схемами? ТТЛ- и ТТЛШ-схемы вполне способны управлять КМОП-схемами серии 74HCXX напрямую без дополнительных “подтягивающих” резисторов. Однако, КМОП-схемами серии CD4000 (К561, КР1561) они управлять не способны, поскольку характеристики последних не гарантируют работоспособность в случае непосредственного подключения без подтягивающих резисторов.

ТТЛШ-схемы способны непосредственно управлять КМОП-схемами во всем диапазоне рабочих температур. Стандартные ТТЛ-схемы способны непосредственно управлять КМОП-схемами в большей части температурного диапазона. Однако, ближе к нижней границе температурного диапазона, напряжение уровня логической единицы ТТЛ-схем уменьшается и рекомендуется введение “подтягивающего” резистора (рис. 14).

Согласно зависимости допустимых значений напряжений входных уровней от напряжения источника питания для КМОП-схем (см. рис. 4), если входное напряжение превышает значение VCC-1,5 В (при VCC=5 В), то выходное напряжение не превысит 0,5В. Следующий КМОП-элемент усилит это напряжение 0,5 В до соответствующего напряжения VCC или GND. Напряжение уровня логической “1” для стандартных ТТЛ-схем составляет минимум 2,4 В при выходном токе 400 мкА. Это наихудший случай, поскольку выходное напряжение ТТЛ-схемы будет только приближаться к этому значению при минимальной температуре, максимальном значении входного уровня “0” (0,8 В), максимальных токах утечки и минимальном напряжении питания (VCC=4,5 В).

При нормальных условиях (25°С, VIN=0,4 В, номинальных токах утечки в КМОП-схеме и напряжении источника питания VCC=5 В) уровень логической “1” будет скорее соответствовать VCC-2VD или VCC-1,2 В. При изменении одной только температуры, выходное напряжение будет изменяться по зависимости “два умножить -2 мВ на один градус температуры” или “-4 мВ на градус”. Напряжения VCC-1,2 В вполне достаточно для непосредственного управления КМОП-схемой без необходимости включения “подтягивающего” резистора.

Если при определенных условиях выходное напряжение ТТЛ-схемы уровня логической “1” может упасть ниже VCC-1,5 В необходимо использовать резистор для управления КМОП-схемой.
Вторым вопросом является, сможет ли КМОП-схема обеспечить достаточный выходной ток, чтобы обеспечить входное напряжение уровня логического “0” для ТТЛ-схемы? Для логической “1” такой проблемы не существует.

Для ТТЛШ-схемы входной ток достаточно мал, чтобы обеспечить непосредственное управление двумя такими входами. Для стандартной ТТЛ-схемы входной ток в десять раз превышает ток ТТЛШ-схемы и, следовательно, выходное напряжение КМОП-схемы, в таком случае, превысит максимально допустимое значение напряжения уровня логического “0” (0,8 В). Однако, внимательно изучая спецификацию выходной нагрузочной способности КМОП-схем, можно заметить, что двухвходовый элемент И-НЕ может управлять одним ТТЛ-входом, хотя и в крайнем случае. К примеру, выходное напряжение уровня логического “нуля” для приборов MM74C00 и MM74C02 во всем температурном диапазоне составляет 0,4 В при токе 360 мкА, при входном напряжении 4,0 В и напряжении питания 4,75 В. Обе схемы показаны на рис. 15.

Обе схемы имеют одинаковую нагрузочную способность, но их структуры различны. Это означает, что каждый из двух нижних транзисторов прибора MM74C02 может обеспечить тот же ток, что и два последовательно включенных транзистора MM74C00. Два транзистора MM74C02 вместе могут обеспечить вдвое больший ток при заданном выходном напряжении. Если допустить увеличение выходного напряжения логического “нуля” до значения 0,8 В, то прибор MM74C02 сможет обеспечить в четыре раза больший выходной ток, чем 360мкА, т.е. 1,44 мА, что близко к 1,6 мА. На самом деле, ток 1,6 мА — это максимальный входной ток для ТТЛ-входа, и большинство ТТЛ-схем работают при токе не более 1 мА. Также, ток 360 мкА — это минимальный выходной ток для КМОП-схем. Реальное значение находится в пределах 360-540 мкА (что соответствует входному току 2-3 ТТЛШ-входов). Ток 360мкА указан для входного напряжения 4 В. Для входного напряжения 5 В, выходной ток будет порядка 560 мкА во всем диапазоне температур, делая управление ТТЛ-входом еще проще. При комнатной температуре и входном напряжении 5 В, выход КМОП-схемы может обеспечить ток 800 мкА. Следовательно, двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ обеспечит выходной ток 1,6 мА при напряжении 0,4 В, если на оба входа элемента ИЛИ-НЕ поступает напряжение 5 В.

Отсюда можно заключить, что один двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ, входящий в состав прибора MM74C02, можно использовать для управления стандартным ТТЛ-входом вместо специального буфера. Однако это приведет к некоторому снижению помехоустойчивости в диапазоне температур.

Источники информации

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).