Kmop pallasining ishlash printsipi. Har xil mantiqlarning elementar bazasi: sxemalar, TTL, TTL, kmop

Ilmiy izlanishlarning ustuvorliklarini belgilashda hamma narsa chalkashliklarga duchor bo'lishiga yaxshi misol bu CMOS chiplari va ularning bozorda paydo bo'lishi.

Gap shundaki, MOS tuzilishi asosidagi dala effekti o'tgan asrning 20-yillari oxirida kashf qilingan, ammo keyin radiotexnika vakuum moslamalarida (radio naychalari) ko'tarilishni boshdan kechirgan va kristalli tuzilmalarda uchraydigan ta'sir umidsiz deb hisoblangan.

Keyin, 40-yillarda bipolyar tranzistor amalda qayta ochildi va shundan keyingina, bipolyar tranzistorlarning keyingi tadqiqoti va yaxshilanishi bu yo'nalish o'lik tomon olib borishini ko'rsatganida, olimlar ta'sir effektini esladilar.

Shunday qilib, MOS tranzistorlari va keyinchalik CMOS chiplari paydo bo'ldi. Maktub Kimga qisqartirishning boshida qo'shimcha, ya'ni to'ldiruvchi degan ma'noni anglatadi. Amalda, bu mikrosxemalar bir xil parametrlarga ega bo'lgan juft tranzistorlarni ishlatishini anglatadi, ammo bitta tranzistor n-tipli eshikka, ikkinchisi esa tranzistorga p-tipli eshikka ega. Chet elda CMOS chiplari deyiladi CMOS (Qo'shimcha metall-oksidli yarimo'tkazgich). KMDP, K-MOS qisqartirishlari.

An'anaviy tranzistorlar orasida KT315 va KT361 tranzistorlari bir-birini to'ldiruvchi juftlikning namunasidir.

Birinchidan, dala effektli tranzistorlarga asoslangan K176 seriyali elektron komponentlar bozorida paydo bo'ldi va ushbu seriyaning keyingi rivojlanishi sifatida juda mashhur K561 seriyasi ishlab chiqildi. Ushbu seriyada juda ko'p miqdordagi mantiq chiplari mavjud.

Dala effekti tranzistorlari besleme zo'riqishida bipolyar kuchlanish kabi muhim emasligi sababli, ushbu seriyali +3 dan + 15V gacha kuchlanish bilan ishlaydi. Bu sizga ushbu seriyani turli xil qurilmalarda, jumladan batareyadan quvvat olishda keng foydalanish imkonini beradi. Bundan tashqari, K561 seriyali chiplarda yig'ilgan qurilmalar juda kam quvvat sarflaydi. Buning ajablanarli joyi yo'q, chunki CMOS chiplarining asosi MOSFETdir.

Masalan, K561TP2 chipida to'rtta RS-flip-flop mavjud va 0,14 mA tok sarf qiladi, shunga o'xshash K155 seriyali chip esa kamida 10 - 12 mA iste'mol qiladi. CMOS tuzilmalaridagi chiplar 100 MΩ va undan yuqori darajaga yetadigan juda katta kirish impedansiga ega, shuning uchun ularning yuk ko'tarish qobiliyati juda katta. Bitta chipning chiqishiga siz 10 dan 30 chipgacha bo'lgan kirishlarni ulashingiz mumkin. TTL mikrosxemalari uchun bunday yuk haddan tashqari issiqlik va ishdan chiqishga olib keladi.

Shu sababli, CMOS tranzistorlaridan foydalangan holda mikrosxemalardagi tugunlarning dizayni TTL mikrosxemalarini ishlatishdan ko'ra oddiyroq echimlardan foydalanishga imkon beradi.

Chet elda K561 seriyasining eng keng tarqalgan analogi CD4000 deb belgilangan. Masalan, K561LA7 chipi xorijiy CD4011 ga mos keladi.

K561 seriyali chiplardan foydalanib, ularning ishlashining ba'zi nuanceslarini unutmaslik kerak. Shuni esda tutish kerakki, mikrosxemani keng voltaj diapazonida ishlatish mumkin bo'lsa ham, kuchlanish pasayishi bilan shovqin immuniteti pasayadi va puls bir oz "tarqaladi". Ya'ni, besleme zo'riqishi maksimal darajaga qanchalik yaqin bo'lsa, pulslarning qirralarini tiklang.

Rasmda kirish signalini (element NOT) o'zgartiradigan klassik asosiy element (vana) ko'rsatilgan. Ya'ni, agar kirishga mantiqiy birlik kelsa, u holda mantiqiy nol chiqishdan chiqariladi va aksincha. Bu erda "n" va "p" turlarining eshiklari bo'lgan qo'shimcha tranzistorlarning juftligi aniq ko'rsatilgan.

Quyidagi rasmda 2I - NOT asosiy elementi ko'rsatilgan. TTL chipining o'xshash elementida mavjud bo'lgan rezistorlar etishmayotganligi aniq ko'rinib turibdi. Ushbu ikkala elementdan tetik olish juda oson va ketma-ket ketma-ket ishga tushirilganda hisoblagichlar, registrlar va saqlash moslamalariga to'g'ridan-to'g'ri yo'l bor.

K561 seriyali integral mikrosxemalarning barcha ijobiy fazilatlari bilan ular, shubhasiz, kamchiliklarga ega. Birinchidan, CMOS ning maksimal ish chastotasiga ko'ra, mikrosxemalar turli xil mantiqqa ega bo'lgan va bipolyar tranzistorlarda ishlaydigan mikrosxemalardan sezilarli darajada past.

K561 seriyasining ishonchli ishlashi chastotasi 1 MGts dan oshmaydi. MOS tuzilmalari asosida mikrosxemalarni boshqa seriyalar bilan uyg'unlashtirish uchun, masalan, TTL, K561PU4, K561LN2 darajadagi o'zgartirgichlar va boshqalar ishlatiladi. Ushbu chiplar turli seriyalar uchun farq qilishi mumkin bo'lgan ishlashni ham sinxronlashtiradi.

Ammo qo'shimcha MOS tuzilmalaridagi mikrosxemalarning eng katta kamchiligi bu mikrosxemaning statik elektrga nisbatan sezgirligidir. Shu sababli, maxsus ish joylari fabrika va laboratoriyalarda jihozlangan. Stolda barcha ishlar umumiy zamin avtobusiga ulangan metall varaqda amalga oshiriladi. Lehimlash temir korpusi ham, xodimning qo'liga bog'langan metall bilaguzuk ham ushbu avtobusga ulangan.

Ba'zi mikrosxemalar folga o'ralgan holda sotuvga chiqariladi, bu esa barcha chiqishlarni bir-biriga qisqartiradi. Uyda ishlayotganda, hech bo'lmaganda isitish trubasiga statik zaryadni to'kish uchun imkoniyat topish kerak. O'rnatish paytida elektr simlari avval lehimlanadi, so'ngra qolganlari.

CMOS mantiqiy o'zgartiruvchilar

Qo'shimcha MOS tranzistorlari (CMOS chiplari) ga asoslangan mikrochiplar n- va p-kanallarga ega MOS tranzistorlari asosida qurilgan. Xuddi shu kirish potentsiali n-kanal bilan tranzistorni ochadi va p-kanal bilan tranzistorni yopadi. Mantiqiy birlikni shakllantirishda yuqori tranzistor ochiq, pastki qismi esa yopiq bo'ladi. Natijada, CMOS pallasida oqim bo'lmaydi. Mantiqiy nolni shakllantirishda pastki tranzistor ochiq, yuqori esa yopiladi. Va bu holda, quvvat manbaidan keladigan oqim mikrosxemadan oqib chiqmaydi. Eng oddiy mantiqiy element - bu inverter. qo'shimcha MOS tranzistorlarida yaratilgan invertor 1-rasmda keltirilgan.

1-rasm. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS inverter) yaratilgan invertorning sxematik diagrammasi.

CMOS chiplarining ushbu xususiyati tufayli ular ilgari ko'rib chiqilgan turlarga nisbatan ustunlikka ega - kirishga qo'llaniladigan soat chastotasiga qarab ular quvvat sarflaydilar. Uning o'zgaruvchan chastotasiga qarab CMOS chipining joriy iste'molining taxminiy grafigi 2-rasmda keltirilgan

Rasm 2. CMOS chipining joriy iste'molining chastotaga bog'liqligi

Mantiqiy CMOS (KMDP) elementlari Va

"VA YO'Q" mantiqiy davri CMOS chiplarida, biz ilgari ko'rib chiqilgan elektron boshqaruvli tugmachalardagi soddalashtirilgan "I" pallasiga to'g'ri keladi. Farqi shundaki, yuk umumiy elektron o'tkazgichga emas, balki quvvat manbaiga ulanadi. 3-rasmda ko'rsatilgan qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS) tuzilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi.

3-rasm. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS) tuzilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi.

Ushbu kontaktlarning zanglashiga olib borishda oddiy qo'lni yuqori qo'lda ishlatish mumkin edi, ammo past darajadagi signal darajasi shakllanganda, kontaktlarning zanglashiga olib boradigan tok doimiy ravishda oqimni iste'mol qiladi. Buning o'rniga yuk sifatida p-MOS tranzistorlari ishlatiladi. Ushbu tranzistorlar faol yukni hosil qiladi. Agar chiqish yuqori potentsialni shakllantirishni talab qilsa, u holda tranzistorlar ochiladi va past bo'lsa, ular yopiladi.

2-rasmda ko'rsatilgan "Va" mantiqiy CMOS elementining diagrammasida quvvat manbaidan CMOS chipining chiqishigacha bo'lgan oqim tranzistorlardan biri orqali oqadi, agar kirishlarning kamida bittasi (yoki ikkalasi ham) past potentsialga ega bo'lsa (mantiq darajasi). nol). Agar mantiqiy birlik darajasi CMOS mantiqiy elementining ikkala kirishida "AND" mavjud bo'lsa, ikkala p-MOS tranzistorlari yopiladi va CMOS chipining chiqishida past potentsial paydo bo'ladi. Ushbu kontaktlarning zanglashiga olib borishda, shuningdek 1-rasmda ko'rsatilgan kontaktlarning zanglashiga olib keladigan bo'lsa, agar yuqori qo'l tranzistorlari ochiq bo'lsa, pastki qo'l tranzistorlari yopiladi, shuning uchun statik holatda quvvat manbaidan joriy CMOS chipi iste'mol qilinmaydi.

2I-NOT mantiqiy elementining CMOS shakli 4-rasmda keltirilgan va 1-jadvalda haqiqat jadvali 1-jadvalda keltirilgan, 1-jadvalda ma'lumotlar x 1 va x 2 deb belgilanadi va chiqish F-da.

Rasm 4. "2 VA YO'Q" mantiqiy elementning shartli-grafik tasviri.

1-jadval. "2I-NOT" bajaradigan CMOS chipining haqiqat jadvali

x1	x2	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

CMOS tranzistorlarida tayyorlangan "OR" bu elektron boshqaruvga ega kalitlarning parallel ulanishi. Ilgari ko'rib chiqilgan soddalashtirilgan "2OR" pallasidan farq shundaki, yuk umumiy simi simiga emas, balki quvvat manbaiga ulanadi. Rezistor o'rniga yuk sifatida p-MOS tranzistorlari ishlatiladi. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida yaratilgan "2OR-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi 5-rasmda keltirilgan.

5-rasm. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida bajariladigan "OR YO'Q" mantiqiy elementning sxematik diagrammasi

"2OR-NOT" mantiqiy elementining CMOS pallasida yuk sifatida ketma-ket ulangan p-MOS tranzistorlari qo'llaniladi. Unda quvvat manbaidan CMOS chipining chiqishigacha bo'lgan oqim faqat yuqori qo'ldagi barcha tranzistorlar ochiq bo'lganda keladi, ya'ni. agar barcha potentsial kirishlar bir vaqtning o'zida past potentsialga ega bo'lsa (). Agar kirishlarning kamida bittasida mantiq darajasi bo'lsa, CMOS tranzistorlariga o'rnatilgan push-pull bosqichining yuqori qo'li yopiladi va quvvat manbaidan keladigan oqim CMOS chipiga chiqarilmaydi.

CMOS chipi tomonidan amalga oshirilgan "2OR-NOT" mantiqiy elementining haqiqat jadvali 2-jadvalda keltirilgan va ushbu elementlarning grafik belgilanishi 6-rasmda keltirilgan.

6-rasm. "2 YO'Q"

2-jadval. "2OR-NOT" mantiqiy funktsiyasini bajaradigan MOS chipining haqiqat jadvali

x1	x2	F
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Hozirgi vaqtda eng katta rivojlanishga ega bo'lgan CMOS chiplari. Bundan tashqari, ushbu mikrosxemalarning besleme zo'riqishini kamaytirishning doimiy tendentsiyasi mavjud. K1561 (C4000V ning xorijiy analogi) kabi CMOS chiplarining birinchi seriyasida ta'minot kuchlanishida (3..18V) keng o'zgaruvchanlik mavjud edi. Shu bilan birga, besleme zo'riqishining pasayishi bilan ma'lum bir mikrosxemaning maksimal ishlash chastotasi pasayadi. Kelgusida ishlab chiqarish texnologiyasi yaxshilangani sayin yanada yaxshi chastota xususiyatlari va ta'minot zo'riqishida, masalan, SN74HC bilan yaxshilangan CMOS chiplari paydo bo'ldi.

CMOS chiplaridan foydalanish xususiyatlari

CMOS chiplarining birinchi va asosiy xususiyati bu chiplarning yuqori kirish empedansidir. Natijada, har qanday kuchlanish uning kirishida, shu jumladan ta'minot zo'riqishining yarmiga teng bo'lgan kuchlanishda sodir bo'lishi mumkin va u etarlicha uzoq vaqt davomida saqlanishi mumkin. Elektr ta'minotining yarmi CMOS elementining kirishiga qo'llanilganda, tranzistorlar chiqish bosqichining yuqori va pastki qismlarida ochiladi, natijada mikrosxemalar qabul qilinmaydigan darajada yuqori oqim iste'mol qila boshlaydi va muvaffaqiyatsiz bo'lishi mumkin. Xulosa: raqamli CMOS chiplari hech qachon ulanmasdan qoldirilmasligi kerak!

CMOS chiplarining ikkinchi xususiyati shundaki, ular elektr o'chirilgan paytda ishlashlari mumkin. Biroq, ular ko'pincha noto'g'ri ishlaydi. Ushbu xususiyat kirish bosqichining dizayni bilan bog'liq. CMOS inverterining to'liq sxemasi 7-rasmda keltirilgan.

7-rasm. CMOS inverterining to'liq sxemasi

Kirish bosqichini statik elektr energiyasidan parchalanishdan himoya qilish uchun VD1 va VD2 diodlari kiritildi. Shu bilan birga, yuqori potentsialli CMOS chipi kiritilganda, u VD1 diodi orqali mikrosxemaning quvvat avtobusiga o'tadi va u juda oz oqim sarflagani sababli CMOS mikrosxemasi ishlay boshlaydi. Biroq, ba'zi hollarda, bu oqim chiplarni quvvatlantirish uchun etarli bo'lmasligi mumkin. Natijada, CMOS chipi yaxshi ishlamasligi mumkin. Xulosa: agar CMOS chipi yaxshi ishlamayotgan bo'lsa, chipning kuchini diqqat bilan tekshiring, ayniqsa ishning topilmalari. Yomon lehimlangan salbiy quvvat chiqishi bilan uning potentsiali umumiy tutashgan simning potentsialidan farq qiladi.

CMOS mikrosxemalari va mdash-ning to'rtinchi xususiyati - bu noldan bitta holatga va teskarisiga o'tish paytida quvvat pallasida oqadigan oqim. Natijada, TTL mikrosxemalaridan CMOS mikrosxemaviy analoglariga o'tish paytida shovqin darajasi keskin oshadi. Ba'zi hollarda, bu juda muhim va kimdir CMOS chiplarini foydasiga yoki BICMOS chiplaridan foydalanishni rad qilishi kerak.

CMOS mantiqiy darajalari

CMOS chiplarining mantiqiy darajasi sezilarli darajada farq qiladi. Agar yuk oqimi bo'lmasa, CMOS chipining chiqishidagi kuchlanish ta'minot kuchlanishiga (mantiqiy birlik darajasi) yoki umumiy simning potentsialiga (mantiqiy nol darajasi) to'g'ri keladi. Yuk oqimining oshishi bilan mantiqiy birlikning kuchlanishi besleme zo'riqishidan 2,8 V ga (U p \u003d 15 V) kamayishi mumkin. Besh voltli quvvat manbai bilan raqamli CMOS mikrosxemasi (K561 seriyali mikrosxemalar) chiqishida ruxsat etilgan kuchlanish darajasi 8-rasmda keltirilgan.

Rasm 8. Raqamli CMOS chiplari chiqishda mantiqiy signallar darajasi

Yuqorida aytib o'tilganidek, raqamli mikrosxemaning kirishidagi chiqish bilan taqqoslaganda voltaj odatda keng chegaralarda ruxsat etiladi. CMOS chiplari uchun biz 30% marjaga kelishdik. Besh voltli kuchga ega CMOS chiplari uchun mantiqiy nol va birlik darajalarining chegaralari 9-rasmda keltirilgan.

Rasm 9. Raqamli CMOS chiplarini kiritishda mantiqiy signallarning darajasi

Ta'minot kuchlanishining pasayishi bilan mantiqiy nol va mantiqiy birlik chegaralari xuddi shu tarzda aniqlanishi mumkin (ta'minot kuchlanishini 3 ga bo'ling).

CMOS chip oilalari

Birinchi CMOS mikrosxemalarida kirishda himoya diodlari yo'q edi, shuning uchun ularni o'rnatish juda qiyin edi. Bu K172 seriyali chip oilasi. Keyingi takomillashtirilgan CMOS oilasi K176 seriyali chiplari ushbu himoya diodlarni oldi. Hozirgi kunda bu juda keng tarqalgan. K1561 seriyasi CMOS chiplarining birinchi avlodini ishlab chiqishni yakunlaydi. Ushbu oilada 90 ns darajasida ishlashga erishildi va ta'minot kuchlanishining o'zgarishi diapazoni 3 ... 15 V edi. Hozirgi vaqtda chet el uskunalari keng tarqalgan bo'lib, men ushbu CMOS chiplarining xorijiy analogini beraman - C4000V.

CMOS chiplarining keyingi rivojlanishi SN74HC seriyali bo'ldi. Ushbu mikrosxemalarda mahalliy analog mavjud emas. Ular 27 ns tezlikka ega va 2 ... 6 V. kuchlanish oralig'ida ishlashlari mumkin. Ular pinout va funktsional diapazonda bir-biriga to'g'ri keladi, ammo mantiqiy darajalarda ularga mos kelmaydi, shuning uchun SN74HCT seriyasining CMOS chiplari bir vaqtning o'zida ishlab chiqarilgan (mahalliy hamkasbi - K1564). TTL chiplari va mantiq darajalariga mos keladi.

Bu vaqtda uch voltli quvvat manbaiga o'tish bor edi. Buning uchun SN74ALVC CMOS mikrosxemalari signalning kechikish vaqti 5,5 ns va quvvat diapazoni 1,65 ... 3,6 V. bilan ishlab chiqilgan, xuddi shu mikrosxemalar ham 2,5 volt kuch bilan ishlashga qodir. Signalning kechikish vaqti 9 ns ga oshadi.

Hozirgi kunda CMOS chiplarining eng istiqbolli oilasi SN74AUC oilasi hisoblanadi, signal uzatish vaqti 1,9 ns va quvvat diapazoni 0,8 ... 2,7 V.

CMOS elementlarining asosi ikkita qo'shimcha (qo'shimcha) MOS tranzistorlari asosida qurilgan invertordir ( n-MOS va p-MOS) ajratilgan eshik va induktsiya qilingan kanal bilan. Bunday sxemaning xususiyati ( anjir 4.17) kirish voltaji nafaqat kalitni, balki yuk tranzistorini ham boshqaradi.

Yoqilgan anjir 4.5.2.ishlatilgan tranzistorlarning eshik-darvoza xususiyatlari berilgan. Transistor bilan n-kanel ( VT nAgar uning eshigiga ijobiy kuchlanish qo'llanilsa va tranzistor bilan bo'lsa, u oqim o'tkazishni boshlaydi p-kanel ( VT p) - agar uning manbaiga nisbatan manfiy kuchlanish qo'llanilsa.

Ikkala tranzistorning drenaj-darvoza xususiyatlariga ko'ra to'pig'i bo'lishi muhimdir. Shunday qilib, agar biz kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ijobiy kuchlanish (+) bilan ishlashini xohlasak E P), keyin kalit tranzistor sifatida foydalanish kerak VT nva yuk sifatida - VT p.

Shakl 4.17.1. CMOS inverteri

Shakl 4.5.2. CMOS tranzistorlari

Inverter ( anjir 4.17) manbai shunday tuzilganki VT p ulangan E nva manba VT n - yer bilan. Panjurlar VT nva VT p kombinatsiyalashadi va inverterning kirish qismi bo'lib xizmat qiladi, drenajlanadi VT nva VT p ham birlashtirilgan va invertorning chiqishi sifatida xizmat qiladi. Ushbu inklyuziya bilan kirish manbai kuchlanishini aniqlash uchun quyidagi formulalar haqiqiy bo'ladi VT nva VT p: U zip \u003d U in, U zir \u003d U in -E p

U zip - darvoza manbai voltaji nkanal tranzistor ( VT n);

U zir- darvoza manbai voltaji pkanal tranzistor ( VT r).

Inverterning ishlashini ko'rib chiqayotganda, biz buni taxmin qilamiz VT nva VT p bir xil xususiyatlarga va pol qiymatiga ega U PP \u003d½ U ol½ \u003d 1,5V.

U pp- chegaraviy kuchlanish nkanal tranzistorlari;

U ol- chegaraviy kuchlanish pkanal tranzistorlari.

CMOS inverterining ishlashini HVV tomonidan ko'rib chiqing ( anjir 4.18-a), unda to'rtta bo'lim va bog'liqlikni ajratish mumkin U ZI = f(U bx) (anjir 4.18-b).

1-bo'lim: U 0 bx £ U. Shu bilan birga U zip \u003d U in va VT n yopiq U zir \u003d U in - E p< U olva VT p ochiq.

Shakl 4.18. CMOS inverterining xususiyatlari:
a) CVB, b) U SHUTTER-SOURCE \u003d f (U VX); c) I POST \u003d f (U BX)

VT nyopiq) VT p chuqur to'yinganlik holatida, chiqishda esa kuchlanish bo'ladi E P ( U 1 Chiqish » E P).

II bo'lim: U P\u003e U BX\u003e U PP,

qayerda 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 BX-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 va VT n - faol rejimda.

VT n.

O'chirish oqimi kanalda kuchlanish pasayishini keltirib chiqaradi VT p, buning natijasida chiqish voltaji pasayishni boshlaydi. Biroq, ushbu bo'limda kirish kuchlanishining oshishi bilan, chiqish kuchlanishi bir oz pasayadi, chunki VT p hali ham to'yinganlikda.

Nuqta U P: U BX \u003d U P \u003d 0,5E P;

U SPTA \u003d U BX \u003d U P\u003e U PP, va VT n ochiq 0,5E P< U Пр va VT p ochiq.

Shu nuqtada | U SPTA|=|U ZIR| shuning uchun ikkala tranzistorning kanallari qarshiligi tengdir. Shunday qilib, chiqish quvvat manbai yarim kuchlanishiga teng kuchlanish bo'ladi ( U ChIQADI=0,5E P). Ushbu nuqta xarakteristikadagi vertikal qismga to'g'ri keladi. Ushbu nuqtada kontaktlarning zanglashiga olib keladigan maksimal oqim tortiladi, chunki ikkala tranzistor ham ochiq. Kirish voltajining ozgina o'zgarishi bilan chiqish voltaji keskin o'zgaradi.

III bo'lim: E P -½ U ol½ \u003e U BX\u003e U P; U SPTA= U BX\u003e U PP va VT nochiq U ZIR \u003d U BX-E P< U Пр va VT P ochiq, ammo o'sishi bilan U BX borgan sari kamroq ochiladi.

Ushbu saytda U SPTA\u003e|U ZIR|, va shuning uchun VT nto'yingan, a VT p - faol rejimda.

O'chirish orqali iste'mol qilingan oqim bu holda tranzistor tomonidan aniqlanadi VT p.

Ushbu qismdagi chiqish voltaji kanal bo'ylab kuchlanish pasayishiga teng VT n. Beri VT nto'yingan, keyin bu tomchi kichik va o'sishi bilan U bx borgan sari pasayib bormoqda.

IV bo'lim: E p\u003e U I\u003e E p -½ U ol½; U zip= U I\u003e U PP va V nochiq U zir \u003d U in -E n\u003e U zipva VT p yopiq.

Bunday holatda, kontakt deyarli oqim o'tkazmaydi (chunki beri) VT p yopiq). VT nchiqish nolga yaqin ( U chiqib ketdi» 0).

HVV dan ko'rinib turibdiki ( shakl 4.5.1a), CMOS elementlari yaxshi shovqin immunitetiga ega. Shovqin immuniteti nolga va biriga teng. Buning sababi shundaki, U I \u003d U P) kirish voltaj diapazonining o'rtasida joylashgan ( E P\u003e U I\u003e0). At E P \u003d + 5V maksimal shovqin qiymati 1,5V ga yetishi mumkin. O'sish bilan E P mutlaqo shovqin immuniteti oshadi. CMOS elementlarining aralashish immuniteti taxminan 30% ni tashkil qiladi E P (U 0 kirishning maksimal qiymati»0,3 E P, U 1 daqiqa0,7 E P).

Izolyatsiya qilingan eshikli MOSFETlar CMOS inverterining kirishiga o'rnatilganligi sababli, kirish qarshiligi juda katta (10 12 ¸10 13 Ohm). Shuning uchun bunday kontaktlarning zanglashiga kirishda deyarli iste'mol qilinmaydi.

CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan empedansi Kundalik jurnalda bo'lgani kabi kichikdir. 0 va davlat jurnalida. 1, tranzistorlardan biri bo'lgani uchun 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 Ohmni tashkil qiladi.

Yuqori kirish va past chiqish impedanslari yuqori statik chiqish dallanma koeffitsientini keltirib chiqaradi. Dallanma koeffitsienti yuqoridan faqat ishlash talablari bilan cheklanadi. Devrenning har bir kiritishi ma'lum bir sig'imga ega bo'lganligi sababli, dallanma koeffitsienti oshgani sayin, yukning sig'imi oshadi va bu o'z navbatida elementning o'tish vaqtini oshiradi.

Shunday qilib, ish chastotasining pasayishi bilan dallanma koeffitsienti oshadi. Yuqoridagilar bilan bog'liq holda, kirish va yuk xarakteristikalari o'zlarining ma'nolarini yo'qotishlari aniq. Yukning xarakteristikasi faqat CMOS elementlarini boshqa turdagi elementlar bilan birlashtirishda muhimdir.

Ikkala holatda ham elementning past chiqish empedansi yukning sig'imini tezda zaryadlashga imkon beradi. Bu kontaktlarning zanglashini yoqish va o'chirishda qisqa kechikish vaqtlariga olib keladi. Amalda, kechikish vaqti 50 ¸ 200 ns.

Shakl 4.5.1c kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim iste'mol qilish jarayonini tushuntiradi.

Statik holatda CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim juda kichik (10 -6 -10 -7 A) quvvat sarflaydi.

Ko'pincha, kontaktlarning zanglashiga olib ketganda oqim ishlatiladi U SPTAva ½ U ZIR½> U POR va ikkalasi ham tranzistorlar VT n va VT p ochiq (HVVdagi II va III bo'limlar) Biroq, ushbu oqimning kattaligi TTL davrlariga qaraganda kamroq, chunki ochiq MOS tranzistorlarining hajm qarshiligi ochiq bipolyar tranzistorlarning qarshiligidan oshadi. Shuning uchun CMOS davrlarida cheklovchi qarshilik yo'q.

O'chirishni amalga oshirganda, yuk sig'imi zaryadlanishi uchun oqim ham iste'mol qilinadi. Ushbu tokning kattaligini quyidagicha aniqlash mumkin Men \u003d CEf P qayerda f P - chastotani almashtirish davri.

CMOS davrlarining afzalliklari, shuningdek, turli xil kuchlanish (3-15V) bilan ishlash qobiliyatini o'z ichiga olishi mumkin. Ta'minot kuchlanishining oshishi bilan mutlaqo shovqin immuniteti oshadi, ammo joriy iste'mol ham kuchayadi (HVdagi II va III bo'limlar yanada kengayadi). Ta'minot kuchlanishi + 5V bo'lganida, CMOS davrlarining signal darajalari TTL darajalariga mos keladi. U CMOS mikrosxemalari uchun 1 dona E P - |U OL | ishonchli qulflash uchun VT p. Shu maqsadda, ko'pincha rezistor orqali TTL chiqishi ulanadi E P.

TTL kontaktlarning zanglashiga olib boradigan CMOS sxemalarining ishi, qoida tariqasida, simli sxemalar orqali amalga oshiriladi.

Yoqilgan anjir 4.19cMOS turidagi asosiy elementning diagrammasi berilgan. Element 4I-NOT funktsiyasini amalga oshiradi. Tranzistorlar shunday aylantirilganki, kontaktlarning zanglashiga olib kirish signallarining har qanday kombinatsiyasi uchun oqim orqali oqim bo'lmaydi. Shunga o'xshash tarzda, OR-NOT turidagi elementlar quriladi (4.20-rasm).

Bunday kontaktlarning zanglashiga olib kirishda tranzistorlarning ketma-ket ulanishi tufayli holatlarning birida chiqish qarshiligi kuchayadi. Shuning uchun, bunday elementlar yoqish va o'chirish vaqtlari har xil. AND-NOT elementi uchun yoqish vaqti, o'chirish vaqtidan uzunroq, va AND-NOT elementlari uchun, aksincha.

Shakl 4.19. CMOS-da 4-NOT funktsiyasini amalga oshirish

Shakl 4.20. 4-OR-NOT CMOS dasturini amalga oshirish

Juda katta kirish empedansi tufayli, hatto statik zaryad ham parchalanish kuchlanishini yaratishi mumkin. CMOS kontaktlarning zanglashiga kirishida statik elektrning yuqori voltli zaryadlaridan himoyalanish uchun maxsus himoya pallasi mavjud (4.21-rasm).

Shakl 4.21. Statik elektr energiyasidan himoyasi bo'lgan CMOS inverteri

Diodlar VD1, VD2 va Vd3 deklanşör izolyatsiyasini buzilishdan himoya qiling. Diodlar Vd4 va Vd7 inverter chiqishini ularning orasidagi buzilishdan saqlang p va n joylar. Diodlar Vd5 va Vd6 Tasodifiy qutblarning aylanishidan himoya qilish uchun elektr relslari o'rtasida 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 (at.) E P\u003d 5V va Men n=0); U 1\u003d 4.99V (at.) E P\u003d 5V va Men n=0); I 0 kirish\u003d 0,2 mA; Men 1 ta\u003d 0,2 mA; Men P\u003d 0.17mA (at.) E P\u003d 10V, F\u003d 100 kGts va N bilan\u003d 50pF); t s\u003d 80ns; Men 0 chiqdim\u003d 0.9mA (at.) U 0 chiqib ketdi\u003d 0,5V va E P\u003d 10V); Men 1 chiqdim\u003d 0.9mA (at.) U 1 chiqib ketdi=E P-0.5V va E P\u003d 10V); C n \u003d200pF; C in\u003d 12pF.

Tayyorgarlik jarayonida alohida e'tibor individual tajribani (UIRS) talab qiladi.

KIRISh

Mantiqiy chiplarning ideal oilasining xususiyatlari haqida gapiraylik. Ular quvvatni tarqatmasliklari kerak, signal tarqalishining nolinchi kechikishi, signalning ko'tarilish va pasayish vaqtlari, shuningdek chiqish signallari oralig'ining 50% ga teng shovqin immunitetiga ega bo'lishlari kerak.

Ushbu ideal xususiyatlarga zamonaviy CMOS chiplari (qo'shimcha MOS) yaqinlashmoqda.

Birinchidan, CMOS davrlari past quvvatni tarqatadi. Statik quvvat tarqalishining odatiy qiymati oqish oqimlari natijasida hosil bo'lgan har bir valf uchun taxminan 10 nV ni tashkil qiladi. Faol (yoki dinamik) quvvat tarqalishi quvvat manbai kuchlanishiga, chastotaga, chiqish yuki va kirish signalining ko'tarilish vaqtiga bog'liq, ammo 1 MGts chastotadagi bitta valf uchun va 50 pF sig'imdagi yuk uchun odatiy qiymati 10 mVt dan oshmaydi.

Ikkinchidan, CMOS klapanlaridagi signalning tarqalish kechikish vaqti, nolga teng bo'lmasa ham, etarlicha kichikdir. Elektr ta'minotining kuchlanishiga qarab, odatdagi uyali uchun signal tarqalishi 25 dan 50 ns oralig'ida bo'ladi.

Uchinchidan, ko'tarilish va pasayish vaqtlari boshqariladigan va qadam funktsiyalaridan ko'ra chiziqliroq. Odatda, ko'tarilish va tushish vaqtining ko'payish vaqtidan 20-40% katta.

Va nihoyat, shovqin immunitetining tipik qiymati 50% ga yaqinlashadi va chiqish signalining amplitudasining taxminan 45% ni tashkil qiladi.

CMOS chiplari foydasiga dalolat beruvchi yana bir muhim omil bu ularning arzonligi, ayniqsa kam quvvatli batareyalar bilan jihozlangan portativ uskunalarda ishlatilganda.

CMOS mikrosxemalarida qurilgan tizimlardagi quvvat manbalari kam quvvatli va natijada arzon bo'lishi mumkin. Kam quvvat iste'moli tufayli quvvat quyi tizimi sodda bo'lishi mumkin, ya'ni arzonroq. Kam quvvat tarqalishi tufayli radiatorlar va fanatlar kerak emas. Texnologik jarayonlarning uzluksiz takomillashib borishi, shuningdek ishlab chiqarish hajmining o'sishi va ishlab chiqarilayotgan CMOS chiplari turlarining kengayishi ularning narxini pasayishiga olib keladi.

CMOS mantiqiy chiplarining ko'plab seriyalari mavjud. Ulardan birinchisi K176 seriyali, so'ngra K561 (CD4000AN) va KP1561 (CD4000BN), ammo eng rivojlangan funktsional seriyalar KP1554 (74ACxx), KP1564 (74HCxx) va KP1594 (74ACTxx) seriyasida edi.

Zamonaviy CMOS chiplarining KR1554, KR1564 va KR1594 seriyali TTLSh-seriyali chiplar CR1533 (74ALS) va K555 (74LS) ning to'liq xususiyatlariga ega bo'lib, ular bajarilgan funktsiyalarda ham, pinoutda ham (pinout) to'liq mos keladi. Zamonaviy CMOS mikrosxemalari, prototiplari K176 va K561 seriyalariga qaraganda, kam dinamik quvvatni iste'mol qiladi va tezligidan bir necha baravar ustundir.

O'chirish jarayonini soddalashtirish uchun TTL (KR1594 va boshqalar) va CMOS darajalari (KR1554, KR1564 va boshqalar) kirish chegaraviy kuchlanishiga ega CMOS seriyalari ishlab chiqilgan. Umumiy maqsadlar uchun mo'ljallangan mikrosxemalar uchun ishlaydigan harorat chegarasi -40- + 85S, maxsus dasturlar uchun -55- + 125S oralig'ida. Jadvalda. 1-rasmda CMOS va TTLS-chiplarining kirish va chiqish xususiyatlarini taqqoslash ko'rsatilgan.

1-jadval. CMOS va TTLS-sxemalarining elektr parametrlarini taqqoslash

TEXNOLOGIYA	PAC deklanşörlü CMOS	Yaxshilash. PAC deklanşörlü CMOS	Metall Shutter bilan CMOS	Stan dart.	Kam iste'mol qiladigan TTLSH	Yaxshilangan kam quvvatli TTLS	Tez harakat qilish TTLSH


Har bir eshik uchun quvvatni taqsimlash (mVt)
Statik
100 kHz chastotada
Targ'ibotni kechiktirish vaqti (ns) (CL \u003d 15 pF)
Maksimal soat tezligi (MHz) (CL \u003d 15 pF)
Minimal chiqish oqimi (mA)
Standart chiqish

Chiqarilayotgan dalaning nisbati (bitta kirishga yuklash K555)
Standart chiqish
Yuqori yuk chiqishi
Maksimal kirish oqimi, IIL (mA) (VI \u003d 0.4 V)

CMOS XUSUSIYATLARI

Ushbu bo'limning maqsadi tizim dizayneriga CMOS tuzilishining raqamli mikrosxemalari qanday ishlashi va turli xil nazorat signallariga duch kelganda o'zini tutishlari haqida zarur ma'lumotlarni berishdir. CMOS chiplarining dizayni va ishlab chiqarish texnologiyasi haqida juda ko'p narsa yozilgan, shuning uchun bu erda biz ushbu chiplar oilasining elektron xususiyatlarini ko'rib chiqamiz.

Asosiy CMOS davri - bu rasmda ko'rsatilgan invertor. 1. U boyitish rejimida ishlaydigan ikkita dala effektli tranzistorlardan iborat: P tipidagi kanal (yuqori) va N-tipli kanal (pastki). Quvvat pinlarini ko'rsatish uchun quyidagilar qabul qilinadi: musbat chiqish uchun VDD yoki VCC va manfiy uchun VSS yoki GND. VDD va VCC belgilari an'anaviy MOS davrlaridan olingan va tranzistorlarning manbai va drenajining quvvat manbalarini anglatadi. Ular CMOS kontaktlarning zanglashiga bevosita aloqador emas, chunki quvvat simlari ikkala qo'shimcha tranzistorlarning manbai hisoblanadi. VSS yoki GND belgilari TTL sxemalaridan olingan va bu terminologiya CMOS mikrosxemalarida saqlanib qolgan. VCC va GND belgilari quyida ko'rsatiladi.

CMOS tizimidagi mantiqiy darajalar VCC (mantiqiy "1") va GND (mantiqiy "0"). MOS tranzistorida oqayotgan oqim deyarli unga kuchlanish tushishini keltirib chiqarmaydi va CMOS valfining kirish qarshiligi juda katta bo'lgani sababli (MOS tranzistorining kirish xarakteristikasi asosan kapasitivdir va qarshilik 1012 Ohm bo'lgan MOS tranzistorining kuchlanish xarakteristikasiga o'xshaydi. sig'imi 5 pF bo'lgan kondansatör tomonidan tebranadi), u holda CMOS tizimidagi mantiqiy quvvat manba kuchlanishiga teng bo'ladi.

Keling, ko'tarilish va pasayish vaqtlari, signal tarqalishining kechikishi va quvvatning tarqalishi o'zgaruvchan quvvat manbai voltaji va yuk sig'imi qanday o'zgarishi haqida tasavvurga ega bo'lish uchun MOS tranzistorlarining xarakterli egri chiziqlarini ko'rib chiqamiz.

Shaklda 2-rasmda boyitish rejimida ishlaydigan N-kanal va P-kanalli maydon effektli tranzistorlarning xarakterli egri chiziqlari ko'rsatilgan.

Ushbu xususiyatlardan bir qator muhim xulosalar kelib chiqadi. VGS \u003d 15 V. ga teng bo'lgan Gate-Source kuchlanishiga ega bo'lgan N-kanal tranzistorining egri chizig'ini ko'rib chiqing. VGS doimiy nazorat kuchlanishida tranzistor VDS-VT qiymatlaridan yuqori bo'lgan oqim manbai kabi ishlaydi (Stoke-Source voltaj). (MOS tranzistorining VT chegaraviy kuchlanishi). VGS-VT dan past bo'lgan VDS qiymatlari uchun tranzistor asosan rezistor kabi ishlaydi.

Shuni ham ta'kidlash kerakki, kichikroq VGS qiymatlari uchun egri chiziqlar o'xshash xususiyatga ega, bundan tashqari, IDS qiymati ancha kichik va aslida IDS VGS kvadratiga mutanosib ravishda ko'payadi. P-kanal tranzistorlari deyarli bir xil, ammo qo'shimcha (qo'shimcha) xususiyatlarga ega.

CMOS elementlaridan foydalangan holda kapasitiv yukni nazorat qilishda, VDS qiymati noldan kam farq qilganda, ustuvor rezistiv xarakteristikani yaxlitlash natijasida olingan boshlang'ich qismdagi "oqim" xarakteristikasi tufayli, kuchlanishning dastlabki o'zgarishi chiziqli bo'ladi. Shaklda ko'rsatilgan eng oddiy CMOS inverteriga murojaat qiling. 1, VDS voltaji nolga tushganda, VOUT chiqish voltaji tranzistorning ochiq bo'lishiga qarab VCC yoki GND ga yo'naltiriladi: P-kanal yoki N-kanal.

Agar siz VCCni oshirsangiz va shuning uchun VGS bo'lsa, invertor kondansatördagi katta kuchlanish amplitudasini ishlab chiqishi kerak. Shu bilan kuchlanishning bir xil o'sishi uchun VGS kvadratiga o'xshab, IDS ning yuk ko'tarish qobiliyati keskin oshadi va shuning uchun sekundda ko'rsatilgan signalning ko'tarilish vaqti va tarqalishi sekinlashadi. 3 kamaymoqda.

Shunday qilib, ushbu dizayn uchun va shuning uchun yuk sig'imining sobit qiymati, quvvat manbai kuchlanishining ko'payishi tizimning tezligini oshirishini ko'rish mumkin. VCCning oshishi ishlashni oshiradi, shuningdek quvvatni pasayishiga olib keladi. Bu ikki sababga ko'ra to'g'ri. Birinchidan, quvvatni anglatadigan CV2f mahsuloti ko'paymoqda. Bu CMOS pallasida yoki yuqorida aytib o'tilgan sabablarga ko'ra, kapasitiv yukni boshqarishda tarqalgan quvvat.

Yukning sig'imi va kommutatsiya chastotasining ko'rsatilgan qiymatlari uchun tarqaladigan quvvat yukning ustiga tushadigan kuchlanishning kvadratiga mutanosib ravishda ortadi.

Ikkinchi sabab shundaki, VI mahsulot yoki CMOS pallasida tarqaladigan quvvat VCC quvvat manbai kuchlanishiga ko'payadi (VCC\u003e 2VT uchun). Har safar, kontaktlarning zanglashishi bir holatdan ikkinchisiga o'tganda, VCC-dan GND-ga bir vaqtning o'zida ikkita ochiq chiqish tranzistorlari orqali oqadigan qisqa muddatli oqim paydo bo'ladi.

Tranzistorlarning chegaraviy voltajlari VCCning oshishi bilan o'zgarmaganligi sababli, yuqori va pastki tranzistorlar bir vaqtning o'zida ish holatida bo'lgan kirish voltaji VCCning oshishi bilan ortadi. Shu bilan birga, yuqori VCC qiymati VGS nazorat kuchlanishini ta'minlaydi va bu JDS oqimlarining ko'payishiga olib keladi. Shu munosabat bilan, agar kirish signalining ko'tarilish vaqti nolga teng bo'lsa, u holda chiqish tranzistorlari orqali VCC dan GNDgacha oqim bo'lmaydi. Ushbu toklar kirish signalining chekkalari, albatta, kichik ko'tarilish va pasayish vaqtlari bo'lganligi sababli paydo bo'ladi, shuning uchun kirish voltaji bir vaqtning o'zida ikkita chiqish tranzistorlari yoqilgan diapazondan o'tish uchun ma'lum bir qisqa vaqtni talab qiladi. Shubhasiz, kirish signalining chekkalari ko'tarilish va tushish vaqtlari quvvat tarqalishini kamaytirish uchun minimal qiymatga ega bo'lishi kerak.

Keling, uzatish xususiyatlarini (5-rasm) ko'rib chiqamiz, ular VCC kuchlanishining o'zgarishi bilan qanday o'zgaradi. Bizning eng oddiy inverterimizdagi ikkala tranzistor ham bir xil, ammo bir-birini to'ldiruvchi xarakteristikalar va chegaraviy kuchlanishlarga ega ekanligiga rozilik bildiramiz. Faraz qilaylik, kuchlanish VT, 2V. Agar VCC chegara kuchlanishidan 2V past bo'lsa, tranzistorlarning hech biri yoqilmaydi va kontaktlarning zanglashiga olib kelmaydi. Shaklda 5a quvvat manbai zo'riqishida eng yuqori voltajga to'g'ri keladigan vaziyatni ko'rsatadi. Bunday holda, kontaktlarning zanglashiga olib borishi 100% gisterez bilan ishlashi kerak. Biroq, bu butunlay histerezis emas, chunki har ikkala chiqish tranzistorlari ham yopiqdir va kontaktlarning zanglashiga olib keladigan chiqish kondensatorlarida chiqish voltaji saqlanadi. Agar VKA bir va ikkita chegaraviy voltaj chegarasida bo'lsa (5b-rasm), VST 2VT ga teng qiymatga yaqinlashgani sayin, «histerez» kamayadi (5-rasm). Ikki polosali voltajga teng bo'lgan VCC kuchlanishida "histerez" bo'lmaydi; kommutatsiya vaqtida ikkita bir vaqtning o'zida ochiq chiqish tranzistorlari orqali oqim yo'q. VCC qiymati ikki chegaraviy kuchlanishdan oshganda, uzatish xarakteristikasining egri chiziqlari aylana boshlaydi (5d-rasm). VIN ikkala tranzistor ochilgan joydan o'tib ketganda, ya'ni. o'tkazuvchan holatda tranzistorlarning kanallarida oqayotgan oqimlar yaxlitlash xususiyatlarini beradigan kuchlanish pasayishini hosil qiladi.

Shovqin uchun CMOS tizimini ko'rib chiqayotganda, kamida ikkita xususiyatni hisobga olish kerak: shovqin immuniteti va shovqin immunitet chegarasi.

Zamonaviy CMOS davrlari odatda shovqin immunitetining 0,45VCC qiymatiga ega. Bu shuni anglatadiki, 0,45VCC yoki VCC yoki GND dan past bo'lgan noto'g'ri kirish signali tizimda noto'g'ri mantiq darajasi sifatida tarqalmaydi. Bu birinchi kontaktlarning zanglashiga chiqishi hech qanday signal olmaydi degani emas. Aslida, shovqin signalining ta'siri natijasida chiqish signali chiqishda paydo bo'ladi, ammo u amplituda pasayadi. Ushbu signal tizimda tarqalishi bilan, u butunlay yo'qolguncha, undan keyingi davrlar tomonidan zaiflashadi. Odatda, bunday signal mantiqiy elementning chiqish holatini o'zgartirmaydi. Oddiy tetiklashda amplitudasi 0,45VCC bo'lgan soxta kirish soati yurak urish tezligi uning holatini o'zgartirishga olib kelmaydi.

CMOS chiplarini ishlab chiqaruvchi, shuningdek, etkazib berish voltaji va haroratining barcha diapazoni va har qanday kirishning kombinatsiyasi uchun 1 Vt shovqinning immunitet chegarasini kafolatlaydi. Bu shunchaki shovqin immunitet xususiyatining og'ishidir, buning uchun kirish va chiqish voltajining maxsus to'plami kafolatlanadi. Boshqacha qilib aytganda, ushbu xarakteristikadan kelib chiqadiki, Voltsda ko'rsatilgan kontaktlarning zanglashiga olib keladigan signal mantiqiy darajaning ("nol" yoki "birlik") qiymatidan 0,1 VCC ga teng bo'lishi uchun kirish signali 0, 0 qiymatidan oshmasligi kerak. 1VCC plyus 1 Vt erdan yoki kuchdan past. Ushbu holat grafik ravishda sek. 4.

Ushbu xususiyatlar standart TTL davrlarining shovqin chegarasiga yaqinlashadi, bu 0,4 V ni tashkil qiladi (6-rasm). VOUT chiqish kuchlanishining VIN kirishiga bog'liqligi rasmini bajarish uchun biz uzatish xarakteristikasining egri chiziqlarini keltiramiz (5-rasm).

TIZIMNI QO'LLASh TA'LIMI

Ushbu bo'limda tizimni ishlab chiqishda yuzaga keladigan turli vaziyatlar ko'rib chiqiladi: foydalanilmagan kirishlar, yuk ko'tarish qobiliyatini oshirish uchun elementlarning parallel ulanishi, ma'lumotlar uzatish kabellari, boshqa oilalarning mantiqiy elementlari bilan muvofiqlashtirish.

FOYDALANILMAGAN KIRITMALAR

Oddiy qilib aytganda, foydalanilmagan ma'lumotlar ulanmasdan qoldirilmasligi kerak. Juda katta kirish empedansi (1012 Ohm) tufayli, suzuvchi kirish mantiqiy "nol" va "birlik" o'rtasida cho'kib ketishi mumkin, bu chiqish pallasida va tizimdagi tegishli muammolarda oldindan aytib bo'lmaydigan xatti-harakatlarni keltirib chiqaradi. Barcha ishlatilmagan kirishlar quvvat manbaiga, "oddiy" simga yoki boshqa ishlatilgan kirishga ulanishi kerak. Tanlov tasodifiy emas, chunki kontaktlarning zanglashiga olib keladigan yuk hajmiga ta'sirini hisobga olish kerak. Masalan, 2I-NOT ikki kirishli mantiq eshigi sifatida ishlatiladigan 4I-NOT to'rt kirish elementini ko'rib chiqaylik. Uning ichki tuzilishi shaklda ko'rsatilgan. 7. A va B kirishlardan foydalanilmagan kirishlarga ruxsat bering.

Agar foydalanilmagan kirishlar mantiqiy darajaga ulangan bo'lishi kerak bo'lsa, u holda boshqa kirishlarni ishlashini ta'minlash uchun A va B ulanish quvvat manbaiga ulangan bo'lishi kerak. Bu pastki A va B tranzistorlarini yoqadi va mos keladigan yuqori A va B ni o'chiradi, bu holda bir vaqtning o'zida ikkitadan ortiq yuqori tranzistorlarni yoqish mumkin emas. Ammo, agar A va B kirishlar C kirishiga ulangan bo'lsa, kirish sig'imi uch baravar ko'payadi, lekin har safar C kirishiga mantiqiy "nol" darajasi qo'llanilsa, A, B va C yuqori tranzistorlari yoqilganda, mantiqiy "birlik" darajasining maksimal chiqish oqimining qiymatini uch baravar oshiradi. . Agar mantiqiy daraja "nol" D ga kirsa, barcha to'rtta yuqori tranzistorlar yoqiladi. Shunday qilib, foydalanilmayotgan AN-NOT elementlarini quvvat manbaiga ulash (YO'Q yoki "oddiy" simga EMAS) ularni yoqadi, lekin ishlatilmagan kirishlarni boshqa ishlatilgan kirishga ulash mantiqiy "birlik" darajasida chiqish oqishini oshiradi. AND-NOT (yoki mantiqiy "nol" oqim darajasidan oqib chiqadigan chiqish, element OR-NOT holatida).

Seriyali ulangan tranzistorlar uchun chiqish oqimining ko'payishi bo'lmaydi. Ushbu vaziyatni hisobga olgan holda, kuchli yukni to'g'ridan-to'g'ri boshqarish uchun ko'p kirishli mantiqiy elementdan foydalanish mumkin, masalan, o'rni bobini yoki akkor chiroq.

LOYIHAVIY ELEKTR TARMOQLARI

Mantiqiy element turiga qarab, kirishlarni birlashtirish bir vaqtning o'zida ikkita emas, balki oqish yoki oqish oqimlari uchun yuk hajmining oshishini kafolatlaydi. Ikki chiqish oqimining ko'payishini kafolatlash uchun parallel ravishda bir nechta mantiqiy elementlar ulanishi kerak (8-rasm). Bunday holda, yuk ko'tarish hajmining ko'payishiga tranzistorlarning bir nechta zanjirlarini parallel ulash tufayli erishiladi (7-rasm) va shu bilan mos keladigan chiqish oqimi ko'payadi.

MA'LUMOT BIZLARI

Buning ikkita asosiy usuli mavjud. Birinchi usul - an'anaviy CMOS bufer elementlarini (masalan,) parallel ulash. Ikkinchidan, afzal qilingan usul, elementlarni uchta chiqish holati bilan ulash.

FILTRATION POWER TEXNIK TA'MINOTI

CMOS kontaktlarning zanglashiga olib boradigan voltajning keng diapazonida ishlashi mumkin (3-15 V), minimal filtrlash talab qilinadi. Quvvat manbai minimal voltaj qiymati tizimdagi eng tezkor elementning maksimal ish chastotasi bilan belgilanadi (odatda tizimning juda kichik qismi maksimal chastotada ishlaydi). Filtrlar ta'minot kuchlanishini taxminan ko'rsatilgan qiymat va mikrosxemalar ishlayotgan maksimal kuchlanish o'rtasida ushlab turish asosida tanlanishi kerak. Ammo, agar siz kuchning tarqalishini minimallashtirishni istasangiz, ishlash talablariga javob beradigan holda, quvvat manbaining kuchlanishi imkon qadar kam tanlanishi kerak.

Tuzilgan tizimning kuchini minimallashtirish

Tizimning quvvat sarfini minimallashtirish uchun, u minimal kuchlanish bilan ishni bajarib, minimal tezlikda ishlashi kerak. Dinamik (AC) va statik (DC) quvvat sarfining birdaniga, quvvat manbai chastotasi va kuchlanishining oshishi bilan. Dinamik quvvat sarfi (AC) bu CV2f mahsulotining funktsiyasidir. Bu kapasitiv yukni boshqaradigan bufer elementida tarqalgan quvvat.

Shubhasiz, dinamik quvvat iste'moli chastotaga va mutanosib ravishda quvvat manbai kuchlanishining kvadratiga mutanosib ravishda ortadi. Bu, shuningdek, asosan tizim tomonidan belgilanadigan ortib borayotgan yuk hajmi bilan ortadi va o'zgaruvchan emas. Statik (DC) quvvat sarfi kommutatsiya vaqtlarida tarqalib ketadi va VI ga teng. Har qanday CMOS elementida elektr tokidan "umumiy" simga (VCC\u003e 2VT da) bir zumda oqim paydo bo'ladi. 9.

Maksimal oqim amplituda bu kirish kuchlanishining tez o'sib boradigan funktsiyasidir va bu o'z navbatida quvvat manbai voltajining funktsiyasidir (5d-rasm).
Tizim tomonidan tarqatilgan VI quvvat mahsulotining haqiqiy qiymati uchta ko'rsatkich bilan belgilanadi: quvvat manbai kuchlanishi, kirish signalining ko'tarilish va tushish chastotasi va vaqti. Juda muhim omil kirish signalining ko'tarilish vaqti. Agar ko'tarilish vaqti uzoq bo'lsa, quvvat tarqalishi kuchayadi, chunki joriy yo'l kirish signali yuqori va pastki tranzistorlarning chegaraviy voltajlari orasidagi mintaqani kesib o'tmaguncha butun vaqt davomida o'rnatiladi. Nazariy jihatdan, agar ko'tarilish vaqti nolga teng deb taxmin qilinsa, joriy yo'l bo'lmaydi va VI kuch nolga teng bo'ladi. Biroq, ko'tarilish vaqti, albatta, kichik bo'lganligi sababli, oqim doimiy ravishda paydo bo'ladi va u tobora kuchayib boraveradi.

Kirish signali va quvvat sarfining ko'payishi bilan bog'liq yana bir holat mavjud. Agar kontaktlarning zanglashiga olib borilsa, ko'p miqdordagi yuklarni boshqarish uchun, chiqish signalining ko'tarilish vaqti oshadi. Bu bunday kontaktlarning zanglashiga olib keladigan har bir qurilmada VI quvvat tarqalishini kuchaytiradi (lekin boshqaruv pallasida emas). Agar quvvat iste'moli kritik qiymatga erishsa, tampon elementlarini parallel ravishda yoqish yoki umumiy quvvat sarfini kamaytirish uchun yuklarni taqsimlash orqali chiqish signalining keskinligini oshirish kerak.

Endi quvvat manbai voltaji, kirish voltaji, kirish signalining chekkalari ko'tarilish va tushish vaqtlari, quvvatning tarqalishidagi yuk sig'imi ta'sirini umumlashtiramiz. Quyidagi xulosalar chiqarish mumkin:

Ta'minot kuchlanishi Quvvat tarqalishining CV2f mahsuloti ta'minot kuchlanishining kvadratiga mutanosib ravishda ortadi. Quvvat tarqalishining VI mahsuloti quvvat manbai kuchlanishining kvadratiga mutanosib ravishda oshadi.
Kirish kuchlanish darajasi. Agar kirish voltaji "nol potentsial (GND) va ortiqcha kuchlanish" va "besleme zo'riqishida (VCC) minus chegara voltaji" orasida bo'lsa) quvvatning tarqalishining VI mahsuloti ortadi. Quvvatning yuqori tarqalishi VIN 0,5 VCC ga yaqinlashganda kuzatiladi. Kirish voltaj darajasi CV2f ga ta'sir qilmaydi.
Kirish signali ko'tarilgan vaqt. Quvvat tarqalishining VI mahsuloti ortib boradigan vaqt bilan ortib boradi, chunki bir vaqtning o'zida ochiq chiqish tranzistorlari orqali o'tadigan oqim uzoq vaqt davomida o'rnatiladi. Kirish signalining ko'tarilish vaqti ham CV2f mahsulotiga ta'sir qilmaydi.
Yuk ko'tarish hajmi. O'chirishda tarqaladigan quvvat CV2f mahsuloti yuk sig'imiga mutanosib ravishda ortadi. Quvvat tarqalishining VI mahsuloti yuk hajmiga bog'liq emas. Shu bilan birga, yuk sig'imining oshishi chiqish signalining old tomonlari ko'tarilish vaqtining ko'payishiga olib keladi va bu o'z navbatida ushbu signal tomonidan boshqariladigan mantiqiy elementlarda tarqaladigan quvvatning VI mahsulotining ko'payishiga olib keladi.

BOShQA OILALARNING LOGIK elementlari bilan Shartnoma

Boshqa barcha oilalarning elementlarini CMOS chiplari bilan moslashtirishning ikkita asosiy qoidalari mavjud. Birinchidan, CMOS pallasida kirish oqimlari va boshqa oilalarning elementlarining kuchlanishlari uchun zarur bo'lgan talablar ta'minlanishi kerak. Ikkinchidan, va undan ham muhimi, boshqa oilalarning mantiqiy elementlarining chiqish signalining amplitudasi CMOS pallasida quvvat manbai kuchlanishiga maksimal darajada mos kelishi kerak.

P-KANALNING MOS DASTURLARI

P-MOS va CMOS davrlarini uyg'unlashtirishda bajarilishi kerak bo'lgan bir qator talablar mavjud. Birinchidan, bu turli xil kuchlanishli quvvat manbalari to'plami. Ko'pgina P-MOS mikrosxemalar 17 V dan 24 V gacha bo'lgan kuchlanishlarda ishlashga mo'ljallangan, CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan maksimal kuchlanish 15 V uchun mo'ljallangan, P-MOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan yana bir muammo, CMOS-dan farqli o'laroq, chiqish amplituda ancha past. quvvat manbaidagi kuchlanishga qaraganda P-MOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish deyarli ijobiy kuchlanish potentsialidan (VSS) manfiy potentsialdan (VDD) bir necha voltgacha o'zgaradi. Shu sababli, 15 V kuchlanishli manba voltajidan P-MOS zanjiri ishlayotgan bo'lsa ham, uning chiqish signalining amplitudasi CMOS pallasida tutashganlikni ta'minlash uchun zarur bo'lgandan kam bo'ladi. Tizimning konfiguratsiyasiga qarab, bu muammoni hal qilishning bir necha yo'li mavjud. Tizimni butunlay MOS sxemalariga qurishning ikkita usulini va TTLS sxemalari tizimda ishlatilganda bitta usulni ko'rib chiqing.

Birinchi misolda, faqat 15 V dan past kuchlanishli P-MOS va CMOS davrlari ishlatiladi (10-rasmga qarang). Ushbu konfiguratsiyada CMOS pallasi to'g'ridan-to'g'ri P-MOS ni boshqaradi. Biroq, P-MOS pallasi CMOS-ni to'g'ridan-to'g'ri nazorat qila olmaydi, chunki uning mantiqiy nol darajadagi chiqish kuchlanishi tizimning nol potentsialidan sezilarli darajada oshadi. O'chirish potentsialini nolga "tortish" uchun qo'shimcha RPD rezistor kiritiladi. Chiqarishni "birlik" dan "nol" ga o'tkazishda RC vaqtining doimiy qiymatini ta'minlash uchun va uning mantiqiy "birlik" darajasini kerakli darajada ta'minlash uchun uning qiymati tanlangan. Ushbu usul P-MOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ochiq drenajlari uchun ham javob beradi.

To'liq MOS tizimidagi yana bir usul - bu CMOS pallasida manfiy potentsial hosil qilish uchun an'anaviy zener diyotiga asoslangan mos yozuvlar kuchlanish manbaini ishlatish (11-rasm).

Ushbu konfiguratsiyada P-MOS elektron tizimining quvvat manbai 17-24 V kuchlanish bilan ishlatiladi, mos yozuvlar zo'riqishida C-COS davrlarining besleme zo'riqishini P-MOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan minimal darajagacha kamaytirish uchun tanlangan. CMOS pallasi hali ham P-MOS-ni to'g'ridan-to'g'ri haydab chiqarishi mumkin, ammo hozir P-MOS pallasi CMOS-ni tortish rezistorsiz boshqarishi mumkin. Boshqa cheklovlar quyidagilardir: 15 V dan past bo'lishi kerak bo'lgan CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan quvvat va tizimdagi barcha CMOS davrlarini quvvatlantirish uchun etarli oqim manbaini ta'minlash zarurati. Ushbu echim juda mos keladi, agar P-MOS pallasida quvvat manbai 15 V dan ortiq bo'lishi kerak va CMOS davrlarining joriy iste'moli eng oddiy parametrik stabilizator tomonidan ta'minlanishi uchun etarli.

Agar tizim TTLS davrlarini ishlatsa, unda kamida ikkita quvvat manbai bo'lishi kerak. Bunday holda, CMOS pallasi biripolyar manbadan ishlaydi va to'g'ridan-to'g'ri P-MOS pallasini boshqarishi mumkin (12-rasm).

N-KANAL MOSFETLARI

CMOS-ni N-MOS sxemalari bilan taqqoslash osonroq, ammo ba'zi muammolar mavjud. Birinchidan, N-MOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish odatda 5-12 V oralig'ida bo'ladi, bu ularni to'g'ridan-to'g'ri CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladi. Ikkinchidan, CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan signalining amplitudasi deyarli noldan manfiy kuchlanish minus 1-2 V gacha.

Quvvat manbai kuchlanishining yuqori qiymatlarida N-MOS va CMOS davrlari to'g'ridan-to'g'ri ishlashi mumkin, chunki N-MOS pallasida mantiqiy blokning chiqish darajasi quvvat manbai kuchlanishidan atigi 10-20% farq qiladi. Shu bilan birga, ta'minot kuchlanishining pastki qiymatlarida mantiqiy birlik sathining kuchlanishi 20-40% kamroq bo'ladi, shuning uchun "tortib olish" rezistorini kiritish kerak (13-rasm).

TTL-, TTLSH-Sxemalar

Ushbu oilalarni CMOS davrlari bilan taqqoslashda ikkita savol tug'iladi. Birinchidan, bipolyar oilalar uchun CMOS davrlarini to'g'ridan-to'g'ri boshqarish uchun mantiqiy darajadagi kuchlanish bormi? TTL va TTLSh davrlari 74HCXX seriyali CMOS zanjirlarini to'g'ridan-to'g'ri qo'shimcha tortish rezistorlarisiz boshqarishga qodir. Biroq, ular CD4000 seriyasining (K561, KR1561) CMOS davrlarini boshqarishga qodir emaslar, chunki ularning xarakteristikalari tortish rezistorlarisiz to'g'ridan-to'g'ri ulanish holatida ishlashga kafolat bermaydi.

TTLS davrlari butun ish harorati oralig'ida CMOS davrlarini to'g'ridan-to'g'ri boshqarishga qodir. Standart TTL davrlari harorat oralig'ining aksariyat qismida CMOS davrlarini to'g'ridan-to'g'ri boshqarishga qodir. Biroq, harorat oralig'ining pastki chegarasiga yaqinroq bo'lganda, TTL kontaktlarning zanglashiga olib keladigan mantiqiy birlik kuchlanish darajasi pasayadi va "tortish" rezistorini kiritish tavsiya etiladi (14-rasm).

Kirish darajasining ruxsat etilgan kuchlanish qiymatlarining CMOS zanjirlari uchun quvvat manbai kuchlanishiga bog'liqligiga ko'ra (4-rasmga qarang), agar kirish voltaji VCC-1,5 V dan oshsa (VCC \u003d 5 V da), u holda chiqish voltaji 0,5 V dan oshmaydi. . Keyingi CMOS elementi 0,5 V kuchlanishni VCC yoki GND ning kuchlanishiga oshiradi. Oddiy TTL davrlari uchun "1" mantiqiy darajadagi kuchlanish kamida 2,4 V, chiqish oqimi 400 mkA. Bu eng yomon holat, chunki TTL pallasida chiqish voltaji ushbu qiymatga minimal haroratda, maksimal kirish darajasi «0» (0,8 V), maksimal oqish oqimlari va minimal voltaj (VCC \u003d 4.5 V) ga yaqinlashadi.

Oddiy sharoitlarda (25 ° C, VIN \u003d 0.4 V, CMOS pallasida nominal oqish oqimlari va quvvat manbai VCC \u003d 5 V), "1" mantiq darajasi VCC-2VD yoki VCC-1.2 V ga to'g'ri keladi. Agar siz faqat haroratni o'zgartirsangiz, chiqish voltaji "harorati bir darajaga nisbatan ikki marta -2 mV" yoki "-4 mV daraja" ga qarab o'zgaradi. VCC-1.2 V kuchlanishi CMOS pallasini to'g'ridan-to'g'ri tortish rezistorisiz boshqarish uchun etarli.

Agar muayyan sharoitlarda "1" mantiqiy darajadagi TTL pallasida chiqish voltaji VCC-1,5 V dan pastga tushishi mumkin bo'lsa, CMOS pallasini boshqarish uchun rezistordan foydalanish kerak.
Ikkinchi savol: CMOS pallasida TTL davri uchun "0" mantiqiy kirish kuchlanishini ta'minlash uchun etarli oqim oqimi ta'minlanishi mumkinmi? Mantiqiy "1" uchun bunday muammo mavjud emas.

TTLS davri uchun kirish oqimi ikkita bunday kirishni to'g'ridan-to'g'ri boshqarishni ta'minlash uchun etarli emas. Oddiy TTL pallasida kirish oqimi TTL zanjirining oqimidan o'n baravar yuqori va shuning uchun CMOS pallasida chiqish voltaji, bu holda mantiqiy "0" darajasining (0,8 V) maksimal kuchlanish darajasidan oshadi. Shu bilan birga, CMOS kontaktlarning zanglashiga olib keladigan sig'imining xususiyatlarini sinchkovlik bilan o'rganib chiqib, ikkita kirishli I-NOT elementi bitta TTL kirishini boshqarishi mumkinligini ko'rishingiz mumkin, garchi o'ta og'ir bo'lsa ham. Masalan, MM74C00 va MM74C02 qurilmalari uchun mantiqiy "nol" darajadagi chiqish zo'riqishida barcha harorat oralig'ida 360 mkA oqimda 0,4 V, kirish voltaji 4,0 V va besleme zo'riqishida 4,75 V. Ikkala sxemada ham rasm ko'rsatilgan. 15.

Ikkala sxemada ham yuk ko'tarish qobiliyati bir xil, ammo ularning tuzilishi boshqacha. Bu shuni anglatadiki, MM74C02 ning ikkita pastki tranzistorlari ketma-ket ulangan ikkita MM74C00 tranzistorlari bilan bir xil oqimni ta'minlaydilar. Ikkala MM74C02 tranzistorlari berilgan chiqish kuchlanishida ikki baravar ko'proq oqimni ta'minlaydilar. Agar biz mantiqiy "nol" ning chiqish kuchlanishini 0,8 V qiymatiga oshirishga imkon bersak, MM74C02 360 mkA dan to'rt baravar ko'proq chiqish oqimini ta'minlaydi, ya'ni. 1,44 mA, bu 1,6 mA ga yaqin. Aslida, 1,6 mA tok TTL kirish uchun maksimal kirish oqimi va aksariyat TTL davrlari 1 mA dan oshmaydigan oqim bilan ishlaydi. Shuningdek, 360 mkA tok CMOS davrlari uchun minimal chiqish oqimi hisoblanadi. Haqiqiy qiymat 360-540 mkA oralig'ida (bu 2-3 TTLSh kirish oqimiga to'g'ri keladi). 4 V. kirish voltaji uchun 360 mkA oqimi ko'rsatilgan, 5 V kirish voltaji uchun chiqish oqimi butun harorat oralig'ida 560 mkA tartibida bo'ladi, bu esa TTL kirishini boshqarishni osonlashtiradi. Xona harorati va kirish voltaji 5 V bo'lganida, CMOS pallasida chiqishi 800 mkA oqimni ta'minlaydi. Shuning uchun, OR-NOT elementining ikkala kirishiga 5 V quvvat berilsa, ikkita kirishli OR-NOT element 0,4 V kuchlanishda 1,6 mA chiqish oqimini ta'minlaydi.

Bundan xulosa qilish mumkinki, MM74C02 tarkibiga kiruvchi bitta ikkita kirishli OR-NOT elementi maxsus bufer o'rniga oddiy TTL kirishini boshqarish uchun ishlatilishi mumkin. Biroq, bu harorat oralig'ida shovqin immunitetining bir oz pasayishiga olib keladi.

Axborot manbalari

Ma'ruza. Protsessor ishlab chiqarish

Mikroprosessorkichkina kremniy kristalida hosil bo'lgan integral zanjir. Silikon yarimo'tkazgich xususiyatlariga ega bo'lganligi sababli mikrosxemalarda ishlatiladi: uning elektr o'tkazuvchanligi dielektriklarga qaraganda katta, ammo metallarga qaraganda kamroq. Silikonni elektr zaryadlarining harakatiga to'sqinlik qiluvchi izolyator ham, o'tkazgich ham qilish mumkin - shunda elektr zaryadlari u orqali erkin o'tadi. Yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanligini aralashtirish orqali boshqarish mumkin.

Mikroprosessor millionlab tranzistorlarni o'z ichiga oladialyuminiy yoki misning eng nozik o'tkazgichlari bilan o'zaro bog'langan va ma'lumotlarni qayta ishlash uchun ishlatiladi. Ichki shinalar shunday shakllanadi. Natijada, mikroprosessor juda ko'p funktsiyalarni bajaradi - matematik va mantiqiy operatsiyalardan tortib, boshqa mikrosxemalar va butun kompyuterning ishlashini boshqarishgacha.

Mikroprosessorning asosiy parametrlaridan biri bu chipning chastotasi bo'lib, u vaqt birligidagi operatsiyalar sonini, tizim avtobusi chastotasini, ichki SRAM kesh hajmini aniqlaydi. Chipning chastotasiga ko'ra protsessor belgilanadi. Kristalning chastotasi yopiqdan ochiq holatga o'tish tranzistorlarining chastotasi bilan belgilanadi. Transistorning tezroq o'tish qobiliyati chiplardan tayyorlanadigan kremniy gofretlarini ishlab chiqarish texnologiyasi bilan belgilanadi. Jarayonning o'lchami tranzistorning o'lchamini (uning qalinligi va eshik uzunligini) aniqlaydi.

Qanday qilib mikrochips

Maktab fizikasi kursidan ma'lum bo'lganidek, zamonaviy elektronikada integral mikrosxemalarning asosiy tarkibiy qismlari yarimo'tkazgichlardir p-tip va n-tip (o'tkazuvchanlik turiga qarab). Yarimo'tkazgich - bu modda dielektriklarga nisbatan o'tkazuvchanlik jihatidan ustun, ammo metallardan past. Ikki turdagi yarim o'tkazgichlarning asosini silikon (Si) tashkil qilishi mumkin, u o'zining sof shaklida (ichki yarimo'tkazgich deb ataladigan) elektr tokini yomon o'tkazadi, ammo ma'lum bir nopoklikning kremniyga qo'shilishi (qo'shilishi) uning o'tkazuvchanlik xususiyatlarini tubdan o'zgartirishi mumkin. Nopoklikning ikki turi mavjud: donor va qabul qiluvchi.

Donor nopokligi Elektron o'tkazuvchanlik turiga ega n-turdagi yarimo'tkazgichlar, p-tipli yarimo'tkazgichlar esa teshik tipidagi o'tkazuvchanliklarning shakllanishiga olib keladi. P- va n-yarimo'tkazgichlarning kontaktlari zamonaviy mikrosxemalarning asosiy tarkibiy elementlari - tranzistorlarning shakllanishiga imkon beradi. CMOS tranzistorlari deb nomlangan bunday tranzistorlar ikkita asosiy holatda bo'lishi mumkin: ular elektr tokini o'tkazganda ochiq va qulflangan - ular elektr tokini o'tkazmaydilar. CMOS tranzistorlari zamonaviy mikrosxemalarning asosiy elementlari bo'lganligi sababli, keling ular haqida batafsilroq gaplashaylik.

Intel protsessorlari haqida gapiradigan bo'lsak, ular odatda 0,13 mikronli jarayon, yaqinda esa 90 nanometr jarayon kabi aniq tushunchalarni ishlatadilar. Masalan, Northwood yadrosiga ega yangi Intel Pentium 4 protsessori 0,13 mikronli texnologiya asosida ishlab chiqarilgan va kelajak avlod protsessorlari 90 nanometrli jarayonga asoslanadi deb aytish odatiy holdir. Ushbu texnologik jarayonlar o'rtasidagi farq nima va bu protsessorlarning o'zlarining imkoniyatlariga qanday ta'sir qiladi?

Qanday qilib CMOS tranzistori

Eng oddiy n tipidagi CMOS tranzistorida uchta elektrod mavjud: manba, tortishish va drenaj. Tranzistorning o'zi teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan p tipidagi yarimo'tkazgichda, naychali va manba mintaqalarida elektron o'tkazuvchanligi bo'lgan n tipli yarimo'tkazgichlar hosil bo'ladi. Tabiiyki, p-mintaqadan n-mintaqaga teshiklarning tarqalishi va elektronlarning n-mintaqadan p-mintaqaga tarqalishi sababli, p va n-mintaqalarning o'tish chegaralarida tugagan qatlamlar (asosiy zaryad tashuvchisi bo'lmagan qatlamlar) hosil bo'ladi. Oddiy holatda, ya'ni darvozaga hech qanday kuchlanish qo'llanilmasa, tranzistor "qulflangan" holatda bo'ladi, ya'ni oqim manbadan drenajgacha o'tkazilmaydi. Drenaj va manba o'rtasidagi kuchlanish qo'llanilsa ham, vaziyat o'zgarmaydi (bu holda biz ozchilik zaryad tashuvchilarining harakati natijasida hosil bo'lgan oqish oqimlarini, ya'ni n-mintaqa uchun teshiklarni va p-mintaqa uchun elektronlar hosil bo'lgan elektr maydonlarining ta'siri ostida hisobga olmaymiz).

Ammo, agar deklanşör uchun ijobiy potentsial qo'llanilsa (1-rasm), vaziyat tubdan o'zgaradi.

Shakl 1. CMOS tranzistorining ishlash printsipi

Darvoza elektr maydonining ta'siri ostida teshiklar p-yarimo'tkazgichga chuqur tushiriladi va elektronlar, aksincha, manba va drenaj o'rtasida elektron bilan boyitilgan kanal hosil qilib, darvoza ostidagi mintaqaga tortiladi. Agar darvozaga ijobiy kuchlanish qo'llanilsa, bu elektronlar manbadan drenajga o'tishni boshlaydilar. Bunday holda, tranzistor oqim o'tkazadi - ular tranzistor "ochiladi", deyishadi. Agar kuchlanish eshikdan chiqarilsa, elektronlar manba va drenaj orasidagi mintaqaga tortishni to'xtatadi, o'tkazuvchan kanal yo'q qilinadi va tranzistor oqim o'tkazishni to'xtatadi, ya'ni u "qulflangan" bo'ladi. Shunday qilib, darvozadagi kuchlanishni o'zgartirib, siz kontaktlarning zanglashiga olib keladigan an'anaviy o'tish moslamasini yoqish yoki o'chirish kabi tranzistorni ochishingiz yoki yopishingiz mumkin. Shuning uchun tranzistorlar ba'zan elektron kalitlar deb ataladi. Biroq, odatiy mexanik kalitlardan farqli o'laroq, CMOS tranzistorlari deyarli inertsiyasiz va soniyada trillionlab marta trafikni ochiq holatdan qulflangan holatga o'tkaza oladi! Aynan shu xususiyat, ya'ni bir zumda almashtirish qobiliyati, natijada protsessor tezligini aniqlaydi, bu o'nlab millionlab oddiy tranzistorlardan iborat.

Shunday qilib, zamonaviy integrallashgan kontakt o'nlab millionlab oddiy CMOS tranzistorlaridan iborat.

Protsessorning tasavvurlaridagi rasm:

Tepasida himoya metall qoplami mavjud, u himoya funktsiyasidan tashqari, issiqlik tarqatuvchisi hamdir - biz sovutgichni o'rnatishda termal yog 'bilan surtamiz. Issiqlik tarqatuvchisi ostida barcha foydalanuvchilarning vazifalarini bajaradigan juda kremniy mavjud. Bundan ham pastroq - protsessorni anakartning rozetkasiga o'rnatish uchun simlarni ulash uchun zarur bo'lgan (va "oyoqlarning" maydonini ko'paytirish) maxsus substrat.

Chipning o'zi kremniydan iborat bo'lib, uning tarkibida 9 tagacha metallizatsiya (misdan yasalgan) yotadi - ma'lum darajadagi qonunga ko'ra, kremniy yuzasida joylashgan tranzistorlarni ulash mumkin bo'lganligi sababli ko'p darajalar kerak (chunki bularning barchasini bir xil darajada bajarish imkonsiz). Aslida, bu qatlamlar birlashtiruvchi simlar rolini o'ynaydi, faqat ancha kichikroq miqyosda; "simlar" bir-biriga qisqa tutashmasligi uchun, ular oksid qatlami bilan ajratilgan (past dielektrik doimiy bilan).