Leksiya. Ishlab chiqaruvchi protsessorlar
Mikroprotsessorkichik silikon kristalida hosil bo'lgan integral mikrosxemadir. Silikon yarim o'tkazgich xususiyatiga ega ekanligi sababli mikrosxemalarda qo'llaniladi: uning elektr o'tkazuvchanligi dielektriklarga qaraganda yuqori, ammo metallarga qaraganda kamroq. Silikon elektr zaryadlarining harakatlanishiga to'sqinlik qiluvchi izolyator sifatida ham, Supero'tkazuvchilar sifatida ham amalga oshirilishi mumkin elektr zaryadlari u orqali erkin o'tadi. Yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanligini aralashmalar kiritish orqali boshqarish mumkin.
Mikroprotsessor millionlab tranzistorlarni o'z ichiga oladima'lumotlarni qayta ishlash uchun ishlatiladigan eng nozik alyuminiy yoki mis o'tkazgichlar bilan o'zaro bog'liq. Ichki shinalar shunday hosil bo'ladi. Natijada, mikroprotsessor ko'plab funktsiyalarni bajaradi - matematik va mantiqiy operatsiyalardan tortib, boshqa mikrosxemalar va butun kompyuter ishini boshqarishga qadar.
Mikroprotsessorning asosiy parametrlaridan biri bu vaqt birligidagi operatsiyalar sonini, ishlash chastotasini aniqlaydigan kristall chastotasi. tizim avtobusi, ichki SRAM keshining miqdori. Protsessor kristall chastotasi bilan belgilanadi. Kristalning chastotasi tranzistorlarning yopiq holatdan ochiq holatga o'tish chastotasi bilan belgilanadi. Transistorning tezroq o'tish qobiliyati chiplar ishlab chiqarilgan kremniy plitalarini ishlab chiqarish texnologiyasi bilan belgilanadi. Texnologik jarayonning o'lchamlari tranzistorning o'lchamini (uning qalinligi va eshik uzunligi) aniqlaydi.
Mikrosxemalar qanday ishlab chiqariladi
Maktab fizikasi kursidan ma'lumki, zamonaviy elektronikada asosiy qismlar integral mikrosxemalar yarim o'tkazgichlardir p-turi va n-turi (o'tkazuvchanlik turiga qarab). Yarimo'tkazgich o'tkazuvchanligi bo'yicha dielektriklardan ustun bo'lgan, ammo metallardan kam bo'lgan moddadir. Yarimo'tkazgichlarning ikkala turi ham o'zlarining sof shaklida (ichki yarimo'tkazgich deb ataladigan) silikon (Si) ga asoslangan. elektr tokiammo, ma'lum bir nopoklikning kremniyga qo'shilishi (qo'shilishi) uning o'tkazuvchanlik xususiyatlarini tubdan o'zgartirishga imkon beradi. Aralashmalarning ikki turi mavjud: donor va akseptor.
Donor aralashmasi elektron o'tkazuvchanlik turi bilan n-tipli yarimo'tkazgichlar hosil bo'lishiga, akseptor esa - p-tipli yarimo'tkazgichlarning teshik o'tkazuvchanligiga ega bo'lishiga olib keladi. P- va n-yarimo'tkazgichlarning aloqalari tranzistorlar yaratishga imkon beradi - asosiysi strukturaviy elementlar zamonaviy mikrosxemalar. CMOS tranzistorlari deb ataladigan bunday tranzistorlar ikkita asosiy holatda bo'lishi mumkin: ochiq, elektr tokini o'tkazganda va yopiq, ular elektr tokini o'tkazmasdan. CMOS tranzistorlari zamonaviy mikrosxemalarning asosiy elementlari bo'lganligi sababli, ular haqida batafsilroq to'xtalamiz.
Intel protsessorlari haqida gapirganda, ular ko'pincha 0,13-mikronli texnologik jarayon va hokazo kabi aniq tushunchalardan foydalanadilar so'nggi paytlarda - 90 nanometrli texnologik jarayon. Masalan, yangi deyish odat tusiga kirgan intel protsessori Northwood yadrosi bo'lgan Pentium 4 0,13 mikronli texnologiyadan foydalangan holda ishlab chiqarilgan va keyingi avlod protsessorlari 90 nanometrlik texnologik jarayonga asoslangan bo'ladi. Ularning orasidagi farq nima? texnologik jarayonlar va bu protsessorlarning o'zlarining imkoniyatlariga qanday ta'sir qiladi?
CMOS tranzistorining ishlashi
Eng oddiy n-tipli CMOS tranzistorida uchta elektrod mavjud: manba, eshik va drenaj... Transistorning o'zi teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan p tipidagi yarimo'tkazgichda, elektron o'tkazuvchanligi bo'lgan n-tipli yarimo'tkazgichlar esa drenaj va manba mintaqalarida hosil bo'ladi. Tabiiyki, p-mintaqadan n-mintaqaga teshiklarning tarqalishi va elektronlarning n-mintaqadan p-mintaqaga teskari diffuziyasi tufayli, p- va n-hududlarning o'tish chegaralarida tükenmiş qatlamlar (ko'pchilik zaryad tashuvchilari bo'lmagan qatlamlar) hosil bo'ladi. Oddiy holatda, ya'ni eshikka kuchlanish berilmasa, tranzistor "qulflangan" holatda bo'ladi, ya'ni u manbadan drenajga oqim o'tkaza olmaydi. Drenaj va manba o'rtasida kuchlanishni qo'llasak ham, vaziyat o'zgarmaydi (bu holda, ozchilik zaryad tashuvchilarining hosil bo'lgan elektr maydonlari, ya'ni n-mintaqa teshiklari va p-mintaqa uchun elektronlar ta'sirida harakatlanish natijasida kelib chiqadigan oqish oqimlarini hisobga olmaymiz).
Ammo, agar darvozaga ijobiy potentsial qo'llanilsa (1-rasm), unda vaziyat tubdan o'zgaradi.
Shakl: 1. CMOS tranzistorining ishlash printsipi
Darvozaning elektr maydoni ta'sirida teshiklar p-yarimo'tkazgichga chuqur surilib, elektronlar, aksincha, darvoza ostidagi mintaqaga tortilib, manba va drenaj o'rtasida elektron bilan boyitilgan kanal hosil qiladi. Agar eshikka ijobiy kuchlanish qo'llanilsa, bu elektronlar manbadan drenajga o'tishni boshlaydi. Bunday holda, tranzistor oqim o'tkazadi - ular tranzistor "ochiladi" deyishadi. Agar kuchlanish eshikdan chiqarilsa, manba va drenaj orasidagi hududga elektronlar tortilishi to'xtaydi, o'tkazuvchi kanal vayron bo'ladi va tranzistor oqimni to'xtatadi, ya'ni "qulflanadi". Shunday qilib, eshikdagi voltajni o'zgartirib, siz tranzistorni ochishingiz yoki o'chirishingiz mumkin, xuddi shu tarzda odatiy o'tish tugmachasini yoqishingiz yoki o'chirishingiz mumkin, bu oqimning zanjir orqali o'tishini boshqaradi. Shuning uchun ba'zan tranzistorlar elektron kalitlarga deyiladi. Biroq, odatdagidan farqli o'laroq mexanik kalitlarCMOS tranzistorlari deyarli inersiyasiz va sekundiga trillion marta marta ochiqdan yopiq holatga o'tishi mumkin! Oxir-oqibat o'nlab millionlab eng oddiy tranzistorlardan iborat bo'lgan protsessorning tezligini aniqlaydigan bu xususiyat, ya'ni bir lahzali almashtirish qobiliyati.
Shunday qilib, zamonaviy integral mikrosxemalar o'n millionlab eng oddiy CMOS tranzistorlaridan iborat.
Mana rasm ko'ndalang kesim protsessor:
Yuqorida himoya metall qopqoq bor, u himoya funktsiyasidan tashqari, shuningdek, issiqlik tarqatuvchisi vazifasini bajaradi - biz sovutgichni o'rnatganimizda uni saxiylik bilan termal moy bilan surtamiz. Issiqlik tarqatuvchisi ostida foydalanuvchining barcha vazifalarini bajaradigan bir xil silikon bo'lagi mavjud. Hatto pastroq - bu protsessorni anakart rozetkasiga o'rnatishi uchun pinout uchun (va "oyoq" maydonini ko'paytirish uchun) zarur bo'lgan maxsus substrat.
Chipning o'zi kremniydan iborat bo'lib, ularda 9 ta metallizatsiya qatlami (misdan yasalgan) mavjud - bu kerakli darajalar soni, shuning uchun ma'lum bir qonunga binoan, silikon yuzasida joylashgan tranzistorlarni ulash mumkin edi (chunki bularning barchasini bir xil darajada bajarish mumkin emas). Asosan, bu qatlamlar ulanish simlari vazifasini bajaradi, faqat juda kichik miqyosda; "simlar" bir-birini qisqartirmasligi uchun, ularni oksid qatlami ajratadi (past dielektrik o'tkazuvchanligi bilan).
Keling, birinchi bosqichi kremniy substratlarini ishlab chiqarish bo'lgan mikrosxemalarni ishlab chiqarish jarayoni haqida batafsil to'xtalamiz.
Bosqichlarni etishtirish
Qadam 2. Ilova himoya plyonka dielektrik (SiO2)
Qadam 3. Fotorezistni qo'llash
Qadam 4. Litografiya
5-qadam
6-qadam. Diffuziya (ion implantatsiyasi)
Qadam 7. Püskürtme va cho'ktirish
Qadam 8. Yakuniy bosqich
Ilg'or texnologiyalar
CMOS elementlarining asosini ikkita to'ldiruvchi (to'ldiruvchi) MOS tranzistorlari ( n-MOS va p-MOS) izolyatsiya qilingan eshik va induktsiya qilingan kanal bilan. Ushbu sxemaning xususiyati ( anjir. 4.17) kirish voltaji nafaqat kalitni, balki yuk tranzistorini ham boshqaradi.
Yoqilgan anjir. 4.5.2.ishlatilgan tranzistorlarning drenaj-eshik xususiyatlari tavsiflari berilgan. Transistor bilan n-kanal ( VT n) uning eshigiga ijobiy kuchlanish va tranzistor qo'llanilsa, oqim o'tkaza boshlaydi r-kanal ( VT p) - agar uning eshigiga manbaga nisbatan salbiy kuchlanish qo'llanilsa.
Har ikkala tranzistorning drenaj eshigi xususiyatlarida "to'piq" bo'lishi muhimdir. Shunday qilib, agar biz elektronni besleme zo'riqishida (+) bilan ishlashini istasak E P), keyin asosiy tranzistor sifatida foydalanish kerak VT nva yuk sifatida - VT p.
Shakl: 4.17.1. CMOS inverteri
Shakl: 4.5.2. CMOS tranzistorlarining eshik xususiyatlari
İnverter ( anjir. 4.17) manba shunday tuzilgan VT p ga ulangan N,va manba VT n - er bilan. Panjurlar VT nva VT p birlashtirilib, inverterga kirish, drenaj sifatida xizmat qiladi VT nva VT p shuningdek birlashtirilib, invertorning chiqishi sifatida xizmat qiladi. Ushbu qo'shilish bilan eshik manbaining kuchlanishini aniqlash uchun quyidagi formulalar amal qiladi VT nva VT p: U zip \u003d U in, U zir \u003d U in -E p
U zip - eshik manbai kuchlanishi n-kanal tranzistor ( VT n);
U zir- eshik manbai kuchlanishi r-kanal tranzistor ( VT p).
İnverterning ishlashini ko'rib chiqayotganda, biz buni taxmin qilamiz VT nva VT p bir xil xususiyatlarga va chegara kuchlanishiga ega U Pp \u003d½ U PrPh \u003d 1,5V.
U pp- pol kuchlanish n-kanalli tranzistor;
U Pr- pol kuchlanish p-kanalli tranzistor.
CMOS inverterini uning HVV bo'yicha ishlashini ko'rib chiqing ( anjir. 4.18-a), to'rtta bo'lim va bog'liqliklarni ajratish mumkin U ZI = f(U BX) (anjir. 4.18-b).
1-bo'lim: U 0 da £ U Pp... Qayerda U zip \u003d U in va VT n yopiq, U zir \u003d U in - E p< U Prva VT p ochiq.
Shakl: 4.18. CMOS inverteri xususiyatlari:
a) HVB, b) U SHUTTER-SOURCE \u003d f (U IN); c) I POTR \u003d f (U BX)
VT nyopiq), VT p chuqur to'yinganlikda, chiqadigan kuchlanish yaqin bo'ladi E P ( U 1 chiqdi » E P).
II bo'lim: U P\u003e U VX\u003e U Pp,
qaerda U P - kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish
va U OUT \u003d 0,5 (U 1 - U 0). U SPTA \u003d U IN\u003e U Ppva VT nochila boshlaydi, U ZIR \u003d U VX -E P.< U Пр va VT p ochiq.
Ushbu saytda ½ U SPTA½ < ½ U ZIR½, shuning uchun VT p to'yingan bo'lib qoladi VT n - faol rejimda.
VT n.
Devredeki oqim kanalda kuchlanish pasayishini hosil qiladi VT p, shuning uchun chiqish voltaji pasayishni boshlaydi. Shu bilan birga, ushbu bo'limda kirish voltajining oshishi bilan chiqish kuchlanishi biroz pasayadi, chunki VT p hali to'yingan.
Nuqta U p: U VX \u003d U P \u003d 0,5E P;
U SPTA \u003d U IN \u003d U P\u003e U Ppva VT n ochiq; 0,5E P< U Пр va VT p ochiq.
Shu nuqtada | U SPTA|=|U ZIR| shuning uchun ikkala tranzistor kanallarining qarshiliklari ham tengdir. Shunday qilib, chiqish quvvat manbai voltajining yarmiga teng bo'lgan kuchlanish bo'ladi ( Chiqdi=0,5E P). Ushbu nuqta xarakteristikaning vertikal qismiga to'g'ri keladi. Ushbu nuqtada elektron maksimal oqimni tortadi, chunki ikkala tranzistor yoqilgan. Kirish voltajidagi eng kichik o'zgarishlarda chiqish voltaji keskin o'zgaradi.
III bo'lim: E P -½ U Pr½ \u003e U IN\u003e U P; U SPTA= U VX\u003e U PP va VT nochiq; U ZIR \u003d U VX -E P.< U Пр va VT P ochiq, lekin o'sishi bilan U BX tobora kamroq ochilib bormoqda.
Ushbu saytda U SPTA\u003e|U ZIR| va shuning uchun VT nto'yinganlikda, a VT p - faol rejimda.
Sxema iste'mol qiladigan oqim bu holda tranzistor tomonidan aniqlanadi VT p.
Ushbu bo'limdagi chiqish kuchlanishi kanaldagi kuchlanish pasayishiga teng VT n... Sifatida VT nto'yinganlikda, keyin bu pasayish kichik va o'sish bilan U BX u tobora kamayib boradi.
IV bo'lim: E p\u003e U ning\u003e E p -½ U Pr½; U zip= U\u003e U Pp va V nochiq; U zir \u003d U in -E n\u003e U zipva VT p yopiq.
Bunday holatda, elektron deyarli oqim iste'mol qilmaydi (chunki VT p yopiq). VT nchuqur to'yinganlikda, chiqishda esa nolga yaqin kuchlanish bo'ladi ( U chiqib ketdi» 0).
HVB dan ko'rinib turibdiki ( shakl 4.5.1a), CMOS elementlari yaxshi shovqin immunitetiga ega. Shovqin immuniteti nolga va bittaga teng. Buning sababi shundaki, o'tish nuqtasi ( U ichida \u003d U P) kirish voltajining aniq markazida joylashgan ( E P\u003e U in\u003e0). Qachon E P \u003d + 5V maksimal qiymat shovqin 1,5 V ga etishi mumkin. O'sish bilan E P mutlaq shovqin immuniteti oshadi. CMOS elementlarining immuniteti taxminan 30% ni tashkil qiladi E P (Maksimal U 0"0.3 E P, U 1 min"0.7 E P).
CMOS invertorining kirish usuli izolyatsiya qilingan eshikli MOS tranzistorlari bo'lgani uchun kirish empedansi juda yuqori (10 12 ¸ 10 13 Ohm). Shuning uchun, bunday sxemalar deyarli kirishda oqim iste'mol qilmaydi.
CMOS davrlarining chiqish empedansi Log holatidagi kabi kichik. 0 va Kirish holatida. 1, chunki tranzistorlardan biri VT n yoki VT p albatta ochiq bo'ladi. Shunday qilib, chiqish qarshiligi ochiq MOS tranzistorining kanal qarshiligi bilan aniqlanadi va 10 2 ¸10 3 Ohm ni tashkil qiladi.
Yuqori kirish empedansi va past chiqish empedansi chiqishda yuqori statik dallanma nisbati paydo bo'lishiga olib keladi. Tarmoqlanish koeffitsienti yuqoridan faqat tezlik talablari bilan cheklanadi. Zanjirning har bir kiritilishi ma'lum quvvatga ega bo'lganligi sababli, dallanma nisbati oshishi bilan yuk hajmi ortadi, bu esa o'z navbatida elementning o'tish vaqtini oshiradi.
Shunday qilib, ish chastotasi pasayganda, dallanish nisbati oshadi. Yuqoridagilar bilan bog'liq holda, kirish va yuk xususiyatlari o'z ma'nosini yo'qotishi aniq. Yuk xarakteristikasi faqat CMOS elementlarini boshqa turdagi elementlar bilan bog'lashda muhimdir.
Ikkala holatda ham elementning past chiqish empedansi yuk sig'imini tezda to'ldirishga imkon beradi. Buning natijasida tez yoqish va o'chirish kechikadi. Amalda, kechikish vaqtlari 50 ¸ 200 ns.
Shakl: 4.5.1c zanjir orqali oqim sarfi jarayonini tushuntiradi.
Statik holatda, CMOS zanjirlari juda kam oqim sarflaydi (10 -6 -10 -7 A).
Asosan, oqim elektronni almashtirishda sarflanadi, ammo U SPTAva ½ U ZIR½> U POR va ikkala tranzistorlar VT n va VT p ochiq (CVB bo'yicha II va III bo'limlar) Biroq, bu oqim qiymati TTL davrlariga qaraganda kamroq, chunki ochiq MOS tranzistorlarining hajm qarshiligi ochiq bipolyar tranzistorlarning qarshiligidan oshib ketadi. Shu sababli, CMOS davrlarida kesish qarshiligi yo'q.
Sxemani almashtirishda, shuningdek, yuk sig'imini zaryad qilish uchun oqim sarflanadi. Ushbu oqimning kattaligi quyidagicha aniqlanishi mumkin I \u003d CEf P. Qaerda f P O'chirish chastotasi.
CMOS davrlarining afzalliklari, shuningdek, har xil besleme zo'riqishida (3-15V) ishlash qobiliyatini o'z ichiga oladi. Besleme voltajining oshishi bilan shovqinning mutlaq immuniteti oshadi, ammo hozirgi iste'mol ham oshadi (CVB-da II va III bo'limlar kengroq bo'ladi). + 5V kuchlanishli kuchlanish bilan CMOS signal darajalari TTL darajalariga mos keladi, ammo ehtiyot bo'lish kerak. U CMOS uchun 1 I / min ko'proq bo'ladi E P - |U OL | xavfsiz qulflash uchun VT p... Shu maqsadda TTL chiqishi ko'pincha qarshilik orqali ulanadi E P.
CMT zanjirlarining TTL zanjirlarida ishlashi, qoida tariqasida, ulanish sxemalari orqali amalga oshiriladi.
Yoqilgan anjir. 4.19cMOS tipidagi asosiy elementning diagrammasi ko'rsatilgan. Element 4I-NOT funktsiyasini amalga oshiradi. Transistorlar shunday joylashtirilganki, kirish signallarining biron bir kombinatsiyasi uchun zanjirda oqim bo'lmaydi. OR-NOT tipidagi elementlar shunga o'xshash tarzda qurilgan. (4.20-rasm).
Bunday sxemalarda, qo'llarning birida tranzistorlarning ketma-ket ulanishi tufayli holatlarning birida chiqishga qarshilik kuchayadi. Shuning uchun bunday elementlarning yoqish va o'chirish vaqtlari har xil. NAND elementi uchun yoqish vaqti o'chirish vaqtidan kattaroq, NOR elementi uchun esa aksincha.
Shakl: 4.19. CMOS-da 4I-NOT funktsiyasini amalga oshirish
Shakl: 4.20. CMOS-da 4OR-NOT funktsiyasini amalga oshirish
Juda yuqori kirish empedansi tufayli, hatto statik zaryad ham buzilish voltajini yaratishi mumkin. Statik elektr energiyasining yuqori voltli zaryadlaridan himoya qilish uchun CMOS zanjirlarining kirish qismida (mikrosxemaning ichida) maxsus himoya davri mavjud (4.21-rasm).
Shakl: 4.21. ESD Gate Protection bilan CMOS inverter
Diyotlar VD1, VD2 va VD3 eshik izolyatsiyasini buzilishdan himoya qiling. Diyotlar VD4 va VD7 inverter chiqishini buzilishdan saqlang r va n maydonlar. Diyotlar VD5 va VD6 tasodifiy quvvat qutblanishining qaytarilishidan himoya qilish uchun elektr relslari orasidagi ketma-ket ulangan.
CMOS davrlarining odatiy vakillari K564 seriyasining elementlari bo'lib, ular quyidagi parametrlar bilan tavsiflanadi:
E P\u003d 3¸15V; U 0\u003d 0,01V (da E P\u003d 5V va Men n=0); U 1\u003d 4.99V (da E P\u003d 5V va Men n=0); I 0 in\u003d 0,2 mA; Men 1 dyuym\u003d 0,2 mA; I P\u003d 0,17mA (da E P\u003d 10V, F\u003d 100kHz va C n\u003d 50pF); t s\u003d 80s; Men 0 chiqdim\u003d 0,9mA (da U 0 chiqdi\u003d 0,5V va E P\u003d 10V); Men 1 chiqdim\u003d 0,9mA (da U 1 chiqdi=E P-0.5V va E P\u003d 10V); C n \u003d200pF; Bilan\u003d 12pF.
Shaxsiy tajriba (UIRS) tayyorgarlik jarayonida alohida e'tibor talab etiladi.
Ilmiy-tadqiqot va rivojlantirish loyihalarini birinchi o'ringa qo'yishda uning qanchalik murakkab va chalkash ekanligining yorqin namunasi - CMOS chiplari va ularning bozorga chiqarilishi.
Haqiqat shundaki, MOS tuzilmasi asosidagi maydon effekti 1920 yillarning oxirlarida kashf etilgan edi, ammo keyinchalik radiotexnika vakuum qurilmalarida (radio naychalarda) avjga chiqqandi va kristalli konstruksiyalardagi effektlar istiqbolsiz deb hisoblandi.
Keyinchalik, 40-yillarda bipolyar tranzistor deyarli qayta kashf qilindi va keyinchalik, keyinchalik bipolyar tranzistorlarni takomillashtirish va takomillashtirish ushbu yo'nalish o'lik tomonga olib borilayotganligini ko'rsatganda, olimlar dala ta'sirini esladilar.
MOS tranzistorining paydo bo'lishi va keyinchalik CMOS mikrosxemalari paydo bo'ldi. Xat TO qisqartirish boshida bir-birini to'ldiruvchi, ya'ni to'ldiruvchi degan ma'noni anglatadi. Amalda, bu shuni anglatadiki, mikrosxemalarda aynan bir xil parametrlarga ega bo'lgan juft tranzistorlar ishlatiladi, ammo bitta tranzistorda n-tipli eshik, ikkinchisida esa p-tipli eshik mavjud. Chet elda CMOS mikrosxemalari deyiladi CMOS (Qo'shimcha metall oksidli yarimo'tkazgich). KMDP, K-MOP qisqartmalari ham qo'llaniladi.
An'anaviy tranzistorlar orasida bir-birini to'ldiruvchi juftlikka KT315 va KT361 tranzistorlari misol bo'ladi.
Birinchidan, radioelektron komponentlar bozorida maydon effektli tranzistorlarga asoslangan K176 seriyasi paydo bo'ldi va ushbu seriyaning keyingi rivojlanishi sifatida juda mashhur bo'lgan K561 seriyasi ishlab chiqildi. Ushbu seriyada juda ko'p miqdordagi mantiqiy chiplar mavjud.
Chunki dala effektli tranzistorlar besleme quvvati uchun bipolyar kuchlanish kabi muhim emas, bu ketma-ket +3 dan + 15V gacha kuchlanish bilan ishlaydi. Bu ushbu seriyadan keng foydalanishga imkon beradi turli xil qurilmalarshu jumladan, batareyadan ishlaydi. Bundan tashqari, K561 seriyali mikrosxemalarda yig'ilgan qurilmalar juda kam oqim sarflaydi. Va ajablanarli joyi yo'q, chunki CMOS mikrosxemalarining asosi - bu maydon effektli MOS tranzistoridir.
Masalan, K561TP2 mikrosxemasi to'rtta RS flip-flopni o'z ichiga oladi va 0,14 mA oqim sarflaydi, shunga o'xshash K155 seriyali mikrosxemasi kamida 10 - 12 mA iste'mol qilgan. CMOS tuzilmalaridagi mikrosxemalar juda yuqori kirish empedansiga ega, ular 100 megohm va undan ko'pni tashkil qilishi mumkin, shuning uchun ularning yuk hajmi juda katta. Bitta mikrosxemaning chiqishiga siz 10 - 30 mikrosxemaning kirishini ulashingiz mumkin. TTL mikrosxemalari uchun bunday yuk haddan tashqari issiqlik va ishlamay qolishiga olib keladi.
Shuning uchun CMOS tranzistorlaridan foydalangan holda mikrosxemalardagi tugunlarning dizayni TTL mikrosxemalarini ishlatishdan ko'ra oddiyroq elektron echimlardan foydalanishga imkon beradi.
Chet elda K561 seriyasining eng keng tarqalgan analogi CD4000 sifatida etiketlanadi. Masalan, K561LA7 mikrosxemasi xorijiy CD4011 ga to'g'ri keladi.
K561 seriyasidagi mikrosxemalardan foydalanib, ularning ishlashining ba'zi nuanceslarini unutmaslik kerak. Shuni esda tutish kerakki, mikrosxemalar keng voltaj diapazonida ishlasa ham, ta'minot kuchlanishi pasayganda, shovqin immuniteti pasayadi va puls biroz "tarqaladi". Ya'ni, besleme quvvati maksimal darajaga qanchalik yaqin bo'lsa, impuls qirralari shunchalik tik bo'ladi.
Rasmda kirish signalini teskari yo'naltiradigan klassik element (eshik) ko'rsatilgan (NOT element). Ya'ni, agar kirishga mantiqiy birlik kelsa, u holda mantiqiy nol chiqarib olinadi va aksincha. Bu erda qo'shimcha "n" va "p" eshik tipidagi tranzistorlar juftligi aniq ko'rsatilgan.
Quyidagi rasmda 2I asosiy elementi ko'rsatilgan - YO'Q. TTL mikrosxemasining o'xshash elementida mavjud bo'lgan rezistorlar bu erda yo'qligi aniq ko'rinib turibdi. Bunday ikkita elementdan trigger olish oson, ketma-ket triggerlar qatoridan hisoblagichlar, registrlar va saqlash moslamalariga to'g'ridan-to'g'ri yo'l bor.
K561 seriyali integral mikrosxemalarning barcha ijobiy fazilatlari bilan ular, albatta, kamchiliklarga ega. Birinchidan, maksimal ish chastotasi bo'yicha CMOS mikrosxemalari turli mantiqiy va mikrosxemalardan farq qiladi va bipolyar tranzistorlarda ishlaydi.
K561 seriyasining ishonch bilan ishlaydigan chastotasi 1 MGts dan oshmaydi. MOS tuzilmalariga asoslangan mikrosxemalarni boshqa qatorlar bilan muvofiqlashtirish uchun, masalan, TTL, darajali konvertorlar K561PU4, K561LN2 va boshqalar ishlatiladi. Ushbu mikrosxemalar tezlikni ham sinxronizatsiya qiladi, ular ketma-ket ketma-ket farq qilishi mumkin.
Bir-birini to'ldiruvchi MOS tuzilmalaridagi mikrosxemalarning eng katta kamchiligi bu mikrosxemaning statik elektr energiyasiga bo'lgan eng kuchli sezgirligidir. Shuning uchun fabrikalar va laboratoriyalar maxsus ish joylari bilan jihozlangan. Stolda barcha ishlar umumiy er usti avtobusiga ulangan metall lavhada amalga oshiriladi. Ham lehim korpusi, ham ishchining qo'lida taqilgan metall bilaguzuk ushbu avtobusga ulangan.
Ba'zi mikrosxemalar folga solingan holda sotuvga chiqariladi, bu esa qisqa tutashuvlarni bir-biriga olib keladi. Uyda ishlayotganda, shuningdek, statik zaryadni hech bo'lmaganda isitish trubasiga tushirish yo'lini topish kerak. O'rnatish vaqtida elektr o'tkazgichlari birinchi navbatda lehimlanadi, shundan keyingina qolganlari.
Mantiqiy CMOS (CMDP) invertorlari
Qo'shimcha MOS tranzistorlaridagi chiplar (CMOS chiplari) n- va p-kanalli MOS tranzistorlari asosida qurilgan. Xuddi shu kirish potentsiali n kanalli tranzistorni yoqadi va p kanalli tranzistorni o'chiradi. Mantiqiy birlik hosil bo'lganda, yuqori tranzistor ochiq, pastki qismi yopiq. Natijada, CMOS pallasida oqim bo'lmaydi. Mantiqiy nol hosil bo'lganda, pastki tranzistor ochiq, yuqori qismi esa yopiq bo'ladi. Va bu holda, elektr ta'minotidagi oqim mikrosxemadan o'tmaydi. Eng oddiy mantiqiy element - bu inverter. qo'shimcha MOS tranzistorlarida ishlab chiqarilgan inverter 1-rasmda keltirilgan.
Shakl 1. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS inverteri) yaratilgan inverterning sxematik diagrammasi
CMOS mikrosxemalarining ushbu xususiyati natijasida ular ilgari ko'rib chiqilgan turlarga nisbatan ustunlikka ega - ular kirishga qarab oqim iste'mol qiladilar. soat chastotasi... CMOS mikrosxemasining tok sarfiga bog'liqligining taxminiy grafigi, uni almashtirish chastotasiga qarab, 2-rasmda keltirilgan.
Shakl 2. CMOS mikrosxemasining oqim sarfining chastotaga bog'liqligi
Mantiqiy CMOS (CMDP) elementlari "VA"
Sxema mantiqiy element "VA-YO'Q" CMOS chiplarida deyarli biz ilgari ko'rib chiqqan elektron boshqariladigan tugmachalarning soddalashtirilgan VA sxemasiga to'g'ri keladi. Farqi shundaki, yuk zanjirning umumiy simiga emas, balki quvvat manbaiga ulanadi. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS) yaratilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi 3-rasmda keltirilgan.
Shakl 3. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS) yaratilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi
Ushbu sxemada oddiy qo'lni yuqori qo'lda ishlatish mumkin edi, ammo past signal darajasi hosil bo'lganda, elektron doimiy ravishda oqim iste'mol qiladi. Buning o'rniga p-MOS tranzistorlari yuk sifatida ishlatiladi. Ushbu tranzistorlar qarshilik yukini hosil qiladi. Agar chiqishda yuqori potentsial zarur bo'lsa, u holda tranzistorlar ochiladi, agar u past bo'lsa, ular yopiladi.
2-rasmda ko'rsatilgan CMOS mantiqiy elementi "VA" diagrammasida, agar kamida bitta kirish (yoki bir vaqtning o'zida ikkalasi) past potentsialga ega bo'lsa (mantiqiy daraja), quvvat manbaidan CMOS mikrosxemasining chiqishiga oqim tranzistorlardan biri orqali o'tadi. nol). Agar "AND" mantiqiy CMOS elementining ikkala kirishida mantiqiy birlik darajasi mavjud bo'lsa, u holda ikkala p-MOS tranzistorlari yopiladi va CMOS mikrosxemasi chiqqanda past potentsial hosil bo'ladi. Ushbu sxemada, shuningdek, 1-rasmda ko'rsatilgan sxemada, agar yuqori qo'lning tranzistorlari ochiq bo'lsa, unda pastki qo'lning tranzistorlari yopiq bo'ladi, shuning uchun statik holatda oqim CMOS mikrosxemasi tomonidan quvvat manbaidan iste'mol qilinmaydi.
CMOS mantiqiy elementi "2I-NOT" ning an'anaviy grafik tasviri 4-rasmda va haqiqat jadvali 1-jadvalda keltirilgan. 1-jadvalda kirishlar x 1 va x 2 deb belgilangan, natijada esa F.
Shakl 4. "2I-NOT" mantiqiy elementining shartli grafik tasviri
Jadval 1. "2I-NOT" bajaradigan CMOS mikrosxemasining haqiqat jadvali
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Shakl 5. MOS tranzistorlarini to'ldiruvchi "OR-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi
CMOS 2OR-NOT eshigi yuk sifatida ketma-ket ulangan p-MOS tranzistorlaridan foydalanadi. Unda quvvat manbaidan CMOS mikrosxemasining chiqishiga oqim faqat yuqori qo'lning barcha tranzistorlari ochiq bo'lsa, ya'ni oqadi. agar barcha yozuvlar bir vaqtning o'zida past potentsialga ega bo'lsa (). Agar kirishlarning hech bo'lmaganda bittasi mantiqiy darajaga ega bo'lsa, unda CMOS tranzistorlarida yig'ilgan surish-tortish bosqichining yuqori qo'li yopiladi va quvvat manbai oqimi CMOS mikrosxemasining chiqishiga tushmaydi.
CMOS mikrosxemasi tomonidan amalga oshirilgan "2OR-NOT" mantiqiy elementining haqiqat jadvali 2-jadvalda va ushbu elementlarning an'anaviy-grafik belgisi 6-rasmda keltirilgan.
Shakl 6. "2OR-NOT" elementi
Jadval 2. "2 OR-NOT" mantiqiy funktsiyasini bajaradigan MOS mikrosxemasining haqiqat jadvali.
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Hozirgi vaqtda CMOS mikrosxemalari eng katta rivojlanishga ega. Bundan tashqari, ushbu mikrosxemalarning besleme zo'riqishida pasayishning doimiy tendentsiyasi mavjud. K1561 (C4000V ning chet el analogi) kabi birinchi CMOS mikrosxemalari besleme zo'riqishida (3..18V) juda keng diapazonga ega edi. Shu bilan birga, ma'lum bir mikrosxemaning besleme quvvati pasayganda, uning maksimal ish chastotasi pasayadi. Keyinchalik, ishlab chiqarish texnologiyasi yaxshilanishi bilan chastotali xususiyatlarini yaxshilaydigan va quvvat manbai past bo'lgan CMOS mikrosxemalari paydo bo'ldi, masalan, SN74HC.
CMOS mikrosxemalaridan foydalanish xususiyatlari
CMOS mikrosxemalarining birinchi va asosiy xususiyati bu mikrosxemalarning yuqori kirish empedansidir. Natijada, har qanday kuchlanish uning kiritilishida, shu jumladan besleme zo'riqishining yarmini keltirib chiqarishi va unda uzoq vaqt davomida saqlanishi mumkin. Elektr ta'minotining yarmi CMOS elementining kiritilishiga tatbiq etilganda, chiqish bosqichining ikkala yuqori va pastki qo'llaridagi tranzistorlar ochiladi, natijada mikrosxem qabul qilinmaydigan darajada katta oqim iste'mol qila boshlaydi va ishlamay qolishi mumkin. Xulosa: raqamli CMOS mikrosxemalarining kirishlari hech qachon aloqasiz qolmasligi kerak!
CMOS chiplarining ikkinchi xususiyati shundaki, ular elektr o'chirilgan paytda ishlashi mumkin. Biroq, ular ko'pincha noto'g'ri ishlaydi. Ushbu xususiyat kirish bosqichining dizayni bilan bog'liq. CMOS inverterining to'liq sxematik diagrammasi 7-rasmda keltirilgan.
Shakl 7. CMOS inverterining to'liq sxematik diagrammasi
Kirish bosqichini statik buzilishdan himoya qilish uchun VD1 va VD2 diodalari kiritildi. Shu bilan birga, CMOS mikrosxemasining kiritilishida yuqori potentsial qo'llanilganda, u VD1 diodasi orqali mikrosxemaning quvvat avtobusiga o'tadi va u juda kichik oqim iste'mol qilganligi sababli CMOS mikrosxemasi ishlay boshlaydi. Biroq, ba'zi hollarda, bu oqim mikrosxemalarni quvvatlantirish uchun etarli bo'lmasligi mumkin. Natijada, CMOS chipi to'g'ri ishlamasligi mumkin. Xulosa: agar CMOS mikrosxemasi to'g'ri ishlamasa, mikrosxemaning elektr ta'minotini diqqat bilan tekshiring, ayniqsa, ish olib boradi. Yomon lehimli salbiy quvvat chiqishi bilan uning potentsiali kontaktlarning zanglashiga olib keladigan simining potentsialidan farq qiladi.
CMOS mikrosxemalarining to'rtinchi xususiyati - bu noldan yakka va teskarisiga o'tkazilganda quvvat pallasida impuls oqimi oqimi. Natijada, TTL mikrosxemalaridan CMOS analog mikrosxemalariga o'tishda shovqin darajasi keskin oshadi. Ba'zi hollarda bu muhim va CMOS mikrosxemalarini BICMOS yoki mikrosxemalar foydasiga ishlatishdan voz kechishingizga to'g'ri keladi.
CMOS chiplarining mantiqiy darajalari
CMOS chiplarining mantiqiy darajalari sezilarli darajada farq qiladi. Yuk oqimi bo'lmagan taqdirda, CMOS mikrosxemasining chiqishidagi kuchlanish besleme zo'riqishida (birining mantiqiy darajasi) yoki umumiy simning potentsialiga (nolning mantiqiy darajasi) to'g'ri keladi. Yuk oqimining oshishi bilan mantiqiy birlikning kuchlanishi besleme zo'riqishidan 2,8V (U p \u003d 15V) gacha kamayishi mumkin. Ruxsat etilgan chiqish quvvati darajasi raqamli CMOS beshta voltli quvvat manbai bo'lgan mikrosxemalar (K561 mikrosxemalar seriyasi) 8-rasmda keltirilgan.
Shakl 8. Raqamli CMOS mikrosxemalari chiqishidagi mantiqiy signal darajalari
Avval aytib o'tganimizdek, raqamli mikrosxemani kiritishda kuchlanish odatda chiqishga nisbatan keng diapazonda ruxsat etiladi. CMOS mikrosxemalari uchun 30% aktsiyalar bo'yicha kelishilgan. Besh voltli quvvat manbai bo'lgan CMOS mikrosxemalari uchun mantiqiy nol va bitta sath chegaralari 9-rasmda keltirilgan.
Shakl 9. Raqamli CMOS mikrosxemalarini kiritishda mantiqiy signal darajalari
Besleme zo'riqishida pasayganda, mantiqiy nol va mantiqiy birlik chegaralari xuddi shu tarzda aniqlanishi mumkin (besleme zo'riqishini 3 ga bo'ling).
CMOS oilalari
Birinchi CMOS mikrosxemalari kirishda himoya diodalarga ega emas edi, shuning uchun ularni o'rnatish juda qiyin edi. Bu K172 seriyali mikrosxemalar oilasi. K176 seriyasining keyingi takomillashtirilgan CMOS chiplari oilasi ushbu himoya diodalarini oldi. Bugungi kunda u juda keng tarqalgan. K1561 seriyali CMOS chiplarining birinchi avlodini ishlab chiqishni yakunlaydi. Ushbu oilada 90 ns tezlikka va 3 ... 15V kuchlanish kuchlanishiga erishildi. Hozirgi vaqtda xorijiy uskunalar keng tarqalganligi sababli, men ushbu CMOS mikrosxemalarining xorijiy analogini - C4000V ni beraman.
CMOS mikrosxemalarining keyingi rivojlanishi SN74HC seriyasidir. Ushbu mikrosxemalar mahalliy analogga ega emas. Ular 27 ns tezlikka ega va 2 ... 6 V kuchlanish oralig'ida ishlay olishadi, ular pinout va funktsional diapazonga to'g'ri keladi, lekin ular bilan mos emas mantiqiy darajalarShuning uchun, shu bilan birga, TTL mikrosxemalariga mos keladigan va mantiqiy darajadagi SN74HCT seriyali (mahalliy analog - K1564) CMOS mikrosxemalari ishlab chiqildi.
Ayni paytda uch voltli elektr ta'minotiga o'tish belgilandi. Buning uchun SN74ALVC CMOS mikrosxemalari 5,5 ns signal uzilish vaqti va 1,65 ... 3,6 V. oralig'ida ishlab chiqilgan. Ushbu mikrosxemalar, shuningdek, 2,5 voltli quvvat bilan ishlashga qodir. Bunday holda, signalni kechiktirish vaqti 9 ns ga ko'payadi.
CMOS mikrosxemalarining eng istiqbolli oilasi hozirda signalning kechikish vaqti 1,9 ns va ta'minot doirasi 0,8 ... 2,7 V bo'lgan SN74AUC oilasi hisoblanadi.
CMOS mantiq eshiklari
Yuqoridagi teng elektron sxemalarni faqat PMOS tranzistorlari yordamida olish mumkin. Biroq, eng qiziqarli narsa - PMOS va NMOS tranzistorlaridan birgalikda foydalanish. Ushbu texnologiya bugungi kunda eng ommabop bo'lib, CMOS texnologiyasi deb ataladi. Boshqa barcha texnologiyalar bilan taqqoslaganda kam quvvat sarfi bilan hujayraning maksimal ishlashini ta'minlaydi.
NMOS zanjirlarida mantiqiy funktsiyalar NMOS tranzistorli ulanishlarni oqim cheklovchi element bilan birlashtirilgan holda amalga oshirildi.
Chunki NMOS tranzistorlarida qurilgan barcha elementlar salbiy funktsiyalarni amalga oshiradilar (YO'Q, YO'Q-YO'Q, VA-YO'Q), keyin ular shartli ravishda 1.9-rasmning blok diagrammasida ko'rsatilishi mumkin.
1.9-rasm - NMOS sxemasining tuzilishi
Bunday holda, barcha tranzistorli davrlar PDN (tortib olinadigan tarmoq) blokiga - salbiy mantiqiy blokga birlashtiriladi. To'g'ridan-to'g'ri mantiqiy funktsiyalarni amalga oshirish uchun ikkita salbiy elementni ulash kerak, bu butun elementning tezligini umuman pasaytiradi. CMOS davrlari tushunchasi PMOS tranzistorlarida to'g'ridan-to'g'ri funktsiyalarni (AND, OR) to'g'ridan-to'g'ri mantiq bloklari (PUN - Pull-up Network) va manfiy mantiq bloklari (PDN - Pull-down Network) bir-birini to'ldiruvchi qilib amalga oshirishga asoslangan. Keyin odatdagi mantiqiy elementni amalga oshiradigan mantiqiy sxema 1.10-rasmda ko'rsatilgan shaklga ega bo'ladi.
Shakl 1.10 - CMOS sxemasining tuzilishi
Kirishning har qanday kombinatsiyasi uchun PDN V f chiqishini mantiqiy-nol darajaga o'rnatadi yoki PUN bu chiqishni mantiqiy yuqori darajaga o'rnatadi. PDN va PUN-da teng miqdordagi tranzistorlar mavjud bo'lib, ular ikkita birlik parallel ravishda ishlashi uchun joylashtirilgan. PDN tarkibiga ketma-ket ulangan NMOS tranzistorlari kiradigan joyda, PUN parallel va aksincha ulangan PMOS tranzistorlariga o'rnatiladi.
CMOS sxemasining eng oddiy namunasi 1.11-rasmda ko'rsatilgan invertor.
Shakl 1.11 - CMOS inverterini amalga oshirish
V x \u003d 0V bo'lganda, T2 o'chirilgan va T1 yoqilgan. Shuning uchun V f \u003d 5V, va T2 o'chirilganligi sababli tranzistorlar orqali oqim o'tmaydi. V x \u003d 5V bo'lsa, u holda T2 ochiq va T1 yopiq bo'ladi. Shunday qilib, V f \u003d 0V, va hali ham zanjirda oqim bo'lmaydi, chunki tranzistor T1 o'chirilgan. Ushbu xususiyat barcha CMOS davrlari uchun amal qiladi - mantiq eshiklari deyarli statik rejimda oqim iste'mol qilmaydi. Bunday sxemalardagi oqim faqat elementlarni almashtirish paytida oqadi (shuning uchun ushbu texnologiya yordamida qurilgan qurilmalarning ishlash chastotasi oshishi bilan quvvat sarfi ham oshadi). Binobarin, CMOS sxemalari raqamli mantiqiy qurilmalar uchun eng mashhur texnologiyaga aylandi.
1.12-rasm asosiy narsani ifodalaydi elektr davri mantiqiy element NAND CMOS. Ushbu elementni amalga oshirish 1.5-rasmda ko'rsatilgan NMOS sxemasiga o'xshaydi, faqat oqimni cheklovchi qarshilik parallel ravishda ulangan ikkita PMOS tranzistoridan iborat PUN bloki bilan almashtirilgan. Rasmdagi haqiqat jadvali x 1 va x 2 kirishlarining har bir mantiqiy birikmasi uchun ushbu to'rt tranzistorning har birining holatini ko'rsatadi. Buni tekshirish oson ushbu sxema mantiqiy NAND funktsiyasini amalga oshiradi. Statik holatda tokning V DD dan Gnd ga o'tishi uchun yo'l yo'q.
1.12-rasm - NAND mantiqiy elementini CMOS-amalga oshirish
1.12-rasmdagi sxemani mantiqiy NAND funktsiyasini belgilaydigan mantiqiy ifodadan olish mumkin. Ushbu ibora qaysi shartlarni belgilaydi f \u003d 1; shuning uchun u PUN blokining harakatini belgilaydi. Ushbu blok ularning kirishlariga mantiqiy nol qo'llanilganda yoqiladigan PMOS tranzistorlaridan tashkil topganligi sababli, x i kirish o'zgaruvchisi tranzistorni x i \u003d 0 bo'lsa, yoqadi. De Morganning qoidasiga ko'ra, bizda:
Shunday qilib f \u003d 1kirish x 1 yoki kirish x 2 mantiqiy nol bo'lsa, demak PUN parallel ravishda ikkita PMOS tranzistorga ulangan bo'lishi kerak. PDN bloki quyidagi funktsiyaga ega bo'lgan f funktsiyasini to'ldirishi kerak:
f \u003d x 1 x 2
Funktsiya f \u003d 1ikkala kirish x 1 va x 2 1 bo'lganida, shuning uchun PDN birligida ketma-ket ikkita NMOS tranzistor bo'lishi kerak.
OR-NOT elementini CMOS amalga oshirish sxemasini mantiqiy ifodadan olish mumkin.
