Характеристики кмоп микросхем с полевыми транзисторами. Микросхемы кмоп

Основной родовой признак ТТЛ - использование биполярных транзисторов, причем структуры только п-р-п. КМОП же, как следует из ее названия, осно­вана на полевых транзисторах с изолированным затвором структуры МОП, причем комплементарных, то есть обоих полярностей - и с w- и с /^-каналом. Схемотехника базовых логических элементов ТТЛ и КМОП приведена на рис. 15.1. На западе их еще называют вентилями - чем можно оправдать та­кое название, мы увидим в конце главы.

Входной многоэмиттерный транзистор ТТЛ мы уже рисовали в главе И - он может иметь сколько угодно (на практике - до восьми) эмиттеров, и эле­мент тогда будет иметь соответствующее число входов. Если любой из эмит­теров транзистора VT1 замкнуть на «землю», то транзистор откроется, а фа-зорасщепляющий транзистор VT2 (с его работой мы знакомы по рис. 6.8) - закроется. Соответственно, выходной транзистор VT3 откроется, а VT4 - закроется, на выходе будет высокий логический уровень, или уровень логи­ческой единицы. Если же все эмиттеры присоединены к высокому потенциа­лу (или просто «висят» в воздухе), то ситуация будет обратная - VT2 откро­ется током через переход база-коллектор VT1 (такое включение транзистора называется «инверсным»), и на выходе установится ноль за счет открытого транзистора VT4. Такой ТТЛ-элемент будет осуществлять функцию «И-НЕ» (логический ноль на выходе только при единицах на всех входах).

ТТЛ

Выходной каскад ТТЛ-элемента представляет собой некое подобие ком­плементарного («пушпульного») каскада класса В, знакомого нам по анало­говым усилителям (см. рис. 8.2). Однако воспроизведение р-п-р-транзисторов оказалось для ТТЛ-технологии слишком сложным, потому такой каскад носит еще название псевдокомплементарного- верхний транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя, а нижний - в схеме с общим эмиттером.

Рис. 15.1. Схемы базовых элементов ТТЛ и КМОП

Кстати, заметим, что из-за недоступности p-w-p-транзисторов воспроизведе­ние схемы «ИЛИ» для ТТЛгтехнологии оказалось крепким орешком, и ее, схемотехника довольно существенно отличается от показанной на рис. 15.1 базовой схемы элемента «И-НЕ».

Заметки на полях

На заре транзисторной техники псевдокомплементарные каскады, подобные выходному каскаду ТТЛ, использовались - о ужас! - для усиления звука. Это построение дало основания для многочисленных попыток приспособить логи­ческие элементы, которые, в сущности, представляют собой усилитель с до­вольно большим (несколько десятков) коэффициентом усиления, для усиле­ния аналоговых сигналов. Излишне говорить, что результаты оказались довольно плачевными, даже с КМОП-элементом, который построен куда более симметрично.

Как видно из схемы, ТТЛ-элемент существенно несимметричен и по входам, и по выходам. По входу напряжение логического нуля должно быть доста­точно близко к «земле», при напряжении на эмиттере около 1,5 В (при стан­дартном для ТТЛ питании 5 В) входной транзистор уже запирается. Причем при подаче нуля нужно обеспечить отвод довольно значительного тока база-эмиттер- около 1,6 мА для стандартного элемента, отчего для элементов ТТЛ всегда оговаривается максимальное количество одновременно подсое­диненных к выходу других таких элементов (стандартно - не более десят­ка). В то же время логическую единицу на входы можно не подавать вовсе. Практически, однако, подавать ее следует - по правилам незадействованные входы ТТЛ должны быть присоединены к питанию через резисторы 1 кОм.

Еще хуже дела обстоят на выходе: напряжение логического нуля обеспечива­ется открытым транзистором и действительно довольно близко к нулю - даже при нагрузке в виде десятка входов других таких же элементов оно не превышает 0,5 В, а в нормах на сигнал ТТЛ оговорена величина не более 0,8 В. А вот напряжение логической единицы довольно далеко отстоит от питания и составляет при питании 5 В в лучшем случае (без нагрузки) от 3,5 до 4 В, практически же в нормах оговаривается величина 2,4 В.

Такое балансирование десятыми вольта (напряжение нуля 0,8 В, напряжение порога переключения от 1,2 до 2 В, напряжение единицы 2,4 В) приводит к тому, что все ТТЛ-микросхемы могут работать в довольно узком диапазоне напряжений питания - практически от 4,5 до 5,5 В, многие даже от 4,75 до 5,25 В, то есть 5 В ±5%. Максимально допустимое напряжение питания со­ставляет для разных ТТЛ-серий от 6 до 7 В, и при его превышении они обыч­но горят ясным пламенем. Низкий и несимметричный относительно питания порог срабатывания элемента приводит и к плохой помехоустойчивости.

Самым крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое потребление - до 2,5 мА на один такой элемент, это без учета вытекающих токов по входу и потребления нагрузки по выходу. Так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много базовых элементов, вроде счетчиков или регистров, не требуют охла­ждающего радиатора. Сочетание низкой помехоустойчивости с высоким по­треблением - смесь довольно гремучая, и при разводке плат с ТТЛ-микросхемами приходится ставить по развязывающему конденсатору на ка­ждый корпус. Все перечисленное в совокупности давно бы заставило отка­заться от технологии ТТЛ вообще, однако у них до некоторого времени было одно неоспоримое преимущество: высокое быстродействие, которое для ба­зового элемента в виде, показанном на рис. 15.1, может достигать десятков мегагерц.

В дальнейшем развитие ТТЛ шло по линии уменьшения потребления и улучшения электрических характеристик, в основном за счет использования т. н. переходов Шоттки, на которых падение напряжения может составлять 0,2-0,3 В вместо обычных 0,6-0,7 В (технология ТТЛШ, обозначается бук­вой S в наименовании серии, отечественный аналог- серии 531 и 530). Ба­зовая технология, которая составляла основу широко распространенной в 1960-70-х годах серии 74 без дополнительных букв в обозначении (анало­ги- знаменитые отечественные серии 155 и 133), сейчас практически не используется. ТТЛ-микросхемы в настоящее время можно выбирать из вари­антов, представленных малопотребляющими сериями типа 74LSxx (серии 555 и 533) или быстродействующими типа 74Fxx (серия 1531). Причем по­требление последних практически равно потреблению старых базовых серий при более высоком (до 125 МГц) быстродействии, а для первых все наобо­рот- быстродействие сохранено на уровне базового, зато потребление пи­тания снижено раза в три-четыре.

КМОП

КМОП-элементы намного ближе к представлению о том, каким должен быть идеальный логический элемент. Для начала, как можно видеть из рис. 15.1, они практически симметричны, как по входу, так и по выходу. Открытый по­левой транзистор на выходе (либо /?-типа для логической единицы, либо «-типа для логического нуля) фактически представляет собой, как мы знаем.

просто сопротивление, которое для обычных КМОП-элементов может со­ставлять от 100 до 300 Ом (под «обычными» или «классическими» КМОП мы подразумеваем здесь серию 4000А или 4000В, см. далее). Для дополнитель­ной симметрии на выходе обычно ставят последовательно два инвертора, по­добных показанному на рис. 15.1 справа (жалко, что ли, транзисторов, если потребление не растет?). Поэтому на выходе не сказывается то, что в нижнем плече для схемы «И-НЕ» стоят два таких транзистора последовательно.

Для схемы «ИЛИ» такие транзисторы будут стоять в верхнем плече - она полностью симметрична схеме «И», что тоже плюс технологии КМОП по сравнению с ТТЛ. Обратите также внимание, что выходной каскад инвертора построен не по схеме «пушпульного» каскада, то есть это не потоковые по­вторители напряжения, а транзисторы в схеме с общим истоком, соединен­ные стоками, что позволяет получить дополнительный коэффициент усиле­ния по напряжению.

На практике особенности построения элемента приводят к тому, что в КМОП-микросхемах:

На ненагруженном выходе напряжение логической единицы практически равно напряжению питания, а напряжение логического нуля практически равно потенциалу «земли»;

Порог переключения близок к половине напряжения питания;

Входы практически не потребляют тока, так как представляют собой изо­лированные затворы МОП-транзисторов;

В статическом режиме весь элемент также не потребляет тока от источ­ника питания.

Из последнего положения вытекает, что схема любой степени сложности, построенная с помощью КМОП-элементов, в «застывшем» состоянии и даже при малых рабочих частотах, не превышающих десятка-другого килогерц, практически не потребляет энергии! Отсюда ясно, как стали возможными такие фокусы, как наручные часы, которые способны идти от малюсенькой батарейки годами, или sleep-режим микроконтроллеров, в котором они по­требляют от 1 до 50 мкА на все десятки тысяч составляющих их логических элементов.

Другое следствие вышеперечисленных особенностей - исключительная по­мехоустойчивость, достигающая половины напряжения питания. Но это еще не все преимущества. КМОП-микросхемы «классических» серий могут рабо­тать в диапазоне напряжений питания от 2 до 18 В, а современные быстро­действующие - от 2 до 7 В. Единственное, что при этом происходит- при

снижении питания довольно резко- в разы- падает быстродействие и ухудшаются некоторые другие характеристики.

Кроме того, выходные транзисторы КМОП, как и любые другие полевые транзисторы, при перегрузке (например, в режиме короткого замыкания) ра­ботают как источники тока - при напряжении питания 15 В этот ток соста­вит около 30 мА, при 5 В - около 5 мА. Причем это в принципе может быть долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить - не превышается ли значение суммарного допустимого то­ка через вывод питания, которое обычно составляет около 50 мА. То есть, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключен­ных к низкоомной нагрузке. Естественно, о логических уровнях в таком ре­жиме уже речи не идет, только о втекающем или вытекающем токе.

И тут мы подходим к основному недостатку «классической» КМОП-технологии - низкому в сравнении ТТЛ быстродействию. Это обусловлено тем, что изолированный затвор МОП-транзистора представляет собой кон­денсатор довольно большой емкости- в базовом элементе до 10-15 пФ. В совокупности с выходным резистивным сопротивлением предыдущей схе­мы такой конденсатор образует фильтр низких частот. Обычно рассматрива­ют не просто частотные свойства, а время задержки распространения сигнала на один логический элемент. Задержка возникает из-за того, что фронт сиг­нала не строго вертикальный, а наклонный, и напряжение на выходе еще только начнет нарастать (или снижаться), когда напряжение на входе достиг­нет уже значительной величины (в идеале- половины напряжения пита­ния). Время задержки могло достигать у ранних серий КМОП величины 200-250 НС (сравните - у базовой серии ТТЛ всего 7,5 не). На практике при напряжении питания 5 В максимальная рабочая частота «классического» КМОП не превышает 1-3 МГц- попробуйте соорудить на логических эле­ментах генератор прямоугольных сигналов по любой из схем, которые будут разобраны в главе 16, и вы увидите, что уже при частоте 1 МГц форма сигна­ла будет скорее напоминать синусоиду, чем прямоугольник.

Другим следствием наличия высокой входной емкости является то, что при переключении возникает импульс тока перезарядки этой емкости, то есть чем выше рабочая частота, тем больше потребляет микросхема, и считается, что при максимальных рабочих частотах ее потребление может сравниться с по­треблением ТТЛ (по крайней мере, ТТЛ серии 74LS). Дело еще усугубляется тем, что из-за затянутых фронтов импульсов элемент достаточно длительное время находится в активном состоянии, когда оба выходных транзистора приоткрыты (то есть возникает так называемый эффект «сквозного тока»).

Это же затягивание фронтов в сочетании с высокоомным входом приводит к снижению помехоустойчивости при перею1ючении - если на фронте сигна­ла «сидит» высокочастотная помеха, то это может приводить к многократ­ным переключениям выхода, как это было у компаратора (см. главу 13). По этой причине в спецификациях на микросхемы часто указывают желатель­ную максимальную длительность фронтов управляющего сигнала.

Однако в современных КМОП, в отличие от «классических», большинство недостатков, связанных с низким быстродействием, удалось преодолеть (правда, за счет снижения допустимого диапазона питания). Подробнее о се­риях КМОП рассказано далее, а пока несколько еще несколько слов об осо­бенностях этих микросхем.

Незадействованные входы элемента КМОП нужно обязательно подключать куда-нибудь - либо к земле, либо к питанию (резисторов при этом не требу­ется, так как вход тока не потребляет), либо объединять с соседним вхо­дом - иначе наводки на столь высокоомном входе полностью нарушат рабо­ту схемы. Причем в целях снижения потребления следует делать это и по отношению к незадействованным элементам в том же корпусе (но не ко всем незадействованным выводам, конечно). «Голый» вход КМОП из-за своей вы-сокоомности может быть также причиной повышенной «смертности» чипов при воздействии статического электричества, однако на практике входы все­гда шунтируют диодами, как показано на рис. 11.4. Допустимый ток через эти диоды также оговаривается в спецификациях.

Параметры современных КМОП-микросхем (комплементарных МОП-микросхем) приближаются к идеальным. Во-первых, типовое значение статической рассеиваемой мощности КМОП-микросхемы, которая возникает из-за токов утечки, составляет порядка 10 нВт на один вентиль. Активная же (или динамическая) рассе-ваемая мощность зависит от напряжения источника питания, частоты переключения, выходной нагрузки и времени нарастания входного сигнала, но ее типовое значение для одного вентиля при частоте 1 МГц и нагрузке емкостью 50пФ не превышает 10мВт.

Во-вторых, хотя время задержки распространения сигнала в КМОП-вентилях и не равно нулю, но достаточно мало. В зависимости от напряжения источника питания задержка распространения сигнала для типового элемента находится в диапазоне от 4 до 8 не.

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

И, наконец, типовое значение помехоустойчивости составляет приблизительно 45% от амплитуды выходного сигнала.

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

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

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

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

Для упрощения схемотехнических решений разработаны КМОП-серии как с входным пороговым напряжением ТТЛ-уровней (КР1594 и некоторые другие), так и КМОП-уровней (КР1554, КР1564 и некоторые другие). Диапазон рабочих температур для микросхем общего применения находится в пределах -4О...+85°С и -55... + 125°С - для микросхем специального применения. В таблице 1 приведено сравнение входных и выходных характеристик КМОП и ТТЛШ-микросхем.

Характеристики КМОП-микросхем

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

Таблица 1. Сравнение электрических параметров КМОП и ТТЛШ-схем

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

Рис. 1. Простейший КМОП-инвертор

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

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

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

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

Следует также заметить, что при меньших значениях VGS кривые имеют аналогичный характер, за тем исключением, что величина 1Ю (ток Сток-Исток) значительно меньше, и, в действительности, 1Ш возрастает пропорционально квадрату VGS. Р-канальный транзистор имеет практически одинаковые, но комплементарные (дополняющие) характеристики.

В случае управления емкостной нагрузкой с помощью КМОП-элементов начальное изменение напряжения, приложенного к нагрузке, будет иметь линейный характер, благодаря "токовой" характеристике на начальном участке, получаемой округлением преобладающей резистивной характеристики, когда значение VDS мало отличается от нуля. Применительно к простейшему КМОП-инвертору, показанному на рис. 1, по мере уменьшения напряжения VDS до нуля выходное напряжение V0UT будет стремиться кУссили GND, в зависимости от того, какой транзистор открыт: Р-канальный или N-канальный.

Если увеличивать Vcc, и, следовательно, VGS, инвертор должен развивать на емкости большую амплитуду напряжения. Однако для одного и того же приращения напряжения нагрузочная способность 1Ю резко возрастает как квадрат VGS, и поэтому времена нарастания и задержки распространения сигнала, показанные на рис. 3, уменьшаются.

Таким образом, можно видеть, что для данной конструкции, и, следовательно, фиксированного значения емкости нагрузки, увеличение напряжения источника питания повысит быстродействие системы. Увеличение Vcc не только повысит быстродействие, но также и рассеиваемую инвертором динамическую мощность, имеющую две составляющие. Во-первых, это мощность, расходуемая на перезарядку емкости нагрузки. Эта составляющая рассеиваемой мощности пропорциональна величине емкости нагрузки, частоте переключения инвертора и квадрату падения напряжения на нагрузке.

Рис. 2. Зависимость выходного тока Ids от выходного напряжения для трех разных значений питающего напряжения Voo и начального смещения Затвор-Исток Vos

Вторая составляющая рассеиваемой инвертором мощности обусловлена тем, что каждый раз, когда схема переключается из одного состояния в другое, при VCC>2VT кратковременно возникает сквозной tokIsw, протекающий от Vcc к GND через два одновременно частично открытых выходных транзистора.

Поскольку пороговые напряжения транзисторов не изменяются с ростом Vcc, то диапазон входного напряжения, в пределах которого верхний и нижний транзисторы одновременно находятся в проводящем состоянии, увеличивается с ростом Vcc. В то же время большее значение Vcc обеспечивает большие значения управляющих напряжений VGS, которые также приводят к увеличению тока Isw. Однако если бы время нарастания входного сигнала равнялось нулю, то через выходные транзисторы не было сквозного тока. Очевидно, что времена нарастания и спада фронтов входного сигнала должны иметь минимальное значение для уменьшения рассеиваемой мощности.

Рассмотрим, как зависят передаточные характеристики инвертора от питающего напряжения Vcc(pnc. 5). Условимся считать, что оба транзистора имеют идентичные, но комплементарные (взаимодополняющиеся)характеристики и пороговые напряжения. Если Vcc меньше порогового напряжения 2VT, ни один из транзисторов не может быть включен, и схема находится в закрытом состоянии. На рис. 5а показана ситуация, когда напряжение источника питания в точности соответствует пороговому напряжению. В таком случае схема должна работать со 100% гистерезисом. Однако, это не совсем гистерезис, поскольку оба выходных транзистора закрыты, и выходное напряжение поддерживается на емкостях затворов, следующих по цепи схем. Если Vcc находится в пределах одного-двух пороговых напряжений (рис. 56), происходит уменьшение величины "гистерезиса" по мере приближения Vcc кзначению, эквивалентному 2VT (рис. 5в). При напряжении Vcc, эквивалентном двум пороговым напряжениям "гистерезис" отсутствует, также нет и сквозного тока через транзисторы в моменты переключений. Когда значение Vcc превышает два пороговых напряжения, кривые передаточной характеристики начинают закругляться (рис. 5г). Когда Vm проходит через область, где оба транзистора открыты, протекающие в каналах транзисторов токи создают падения напряжений, дающие закругления характеристик.

Рассматривая КМОП-систему на предмет устойчивости к шуму, необходимо иметь ввиду, по крайней мере, две характеристики: помехоустойчивость и запас помехоустойчивости.

Рис. З. Измерение времен нарастания и спада, а также задержек распространения сигнала в КМОП-системе

Современные КМОП-схемы имеют типичное значение помехоустойчивости, равное 0,45Vcc. Это означает, что ложный входной сигнал, отличающийся от Vcc или GND на величину, равную 0,45Vcc, или меньшую, не будет распространяться в системе, как ошибочный логический уровень. Обычно такой сигнал не изменяет выходное состояние логического элемента. В триггере, например, ложный входной синхронизирующий импульс амплитудой 0,45Vcc не приведет к изменению его состояния.

Это не означает, что на выходе схемы вообще не появится никакого сигнала. На самом деле в результате воздействия сигнала помехи на выходе инвертора появится выходной сигнал, но он будет ослаблен по амплитуде. По мере его распространения в цифровой системе, сигнал будет ослаблен последующими схемами еще больше, пока совсем не исчезнет.

Рис. 4. Гарантированный запас помехоустойчивости КМОП-схемы в диапазоне температур как функция напряжения питания V

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

Для стандартных ТТЛ-схем, например, запас помехоустойчивости составляет 0,4В (рис. 6).

Анализ особенностей применения КМОП-микросхем

Рис.5 Передаточные характеристики для разных значений питающего напряжения Vcc

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

Рис. 6. Гарантированные значения диапазона напряжений логических уровней для ТТЛ-схем в диапазоне температур как функция напряжения питания V

Неиспользуемые выводы или, проще говоря, неиспользуемые входы не должны оставаться неподключенными. Из-за очень большого входного сопротивления (1012 Ом) плавающий вход может дрейфовать между логическими "нулем" и "единицей", создавая непредсказуемое поведение выхода схемы и связанные с этим проблемы в системе. Все неиспользуемые входы должны быть подключены к шине питания, "общему" проводу или другому используемому входу. Выбор решения не случаен, поскольку надо учитывать возможное влияние на выходную нагрузочную способность схемы. Рассмотрим для примера че-тырехвходовый элемент 4И-НЕ, используемый как двухвходовый логический вентиль 2И-НЕ. Его внутренняя структура показана на рис. 7.

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

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

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

Рис. 7. Четырехвходовый логический элемент 4И-НЕ, входящий в состав микросхемы КР1561ЛА1

Для разводки шин данных существуют два основных способа. Первый способ - параллельное соединение обычных буферных КМОП-элементов (например, К561ЛН2). И второй, наиболее предпочтительный, способ - соединение элементов с тремя выходными состояниями.

Статья предоставлена редакцией журнала Электроника . Другие статьи журнала "Электроника" можно прочитать

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный может моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то базы транзистора Т 2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т 2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень , то через базу Т 2 транзистора будет протекать большой базовый и на коллекторе транзистора Т 2 будет низкий уровень , т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u вых = u 1 · u 2 . Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет высокий уровень . Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то Т 2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т 4 и запиранию транзистора Т 3 , т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение приведено на рис. 3.29, б .

Такой эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT 4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u вх1 и u вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD 3 и VD 4 закрыты, транзисторы VT 1 ,VT 5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется низкого уровня, то транзисторы VT 1 и VT 5 закрыты, а транзисторы VT 3 и VT 4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT 3 и VT 4 образуют так называемый составной (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

● питания +5 В;

● выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;

● выходное высокого уровня — не менее 2,5 В;

● помехоустойчивость — не менее 0,3 В;

● среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;

● максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.

Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT 2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение U оп. Изменение входного u вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i э0 , заданного сопротивлением R э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

● питания −5,2 В;

● потребляемая мощность — 100 мВт;

● коэффициент разветвления по выходу — 15;

● задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т 3 и двух управляющих транзисторов Т 1 и Т 2 . Если оба транзистора Т 1 и Т 2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень . Если одно или оба напряжения u 1 и u 2 имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 и на выходе устанавливается низкий уровень , т. е. реализуется функция u вых = u 1 + u 2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u 1 и u 2 меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора U зи.порог. n), то транзисторы Т 1 и Т 2 закрыты, транзисторы Т 3 и Т 4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных u 1 и u 2 имеют высокий уровень, превышающий U зи.порог. n , то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 , а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 , а следовательно, на выходе устанавливается низкое . Таким образом, этот элемент реализует функцию u вых = u 1 +u 2 и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И 2 Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И 2 Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T 1 (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный Т 2 (n-p n) расположен вертикально. T 1 выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T 1 (при подаче на него положительного через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т 2 . Если u 1 соответствует логическому «0», то инжекционный не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т 2 и токи в цепях коллекторов транзистора Т 2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т 2 устанавливаются логические «1». При напряжении u 1 соответствующем логической «1», инжекционный протекает по базе транзистора Т 2 и на выходах транзистора Т 2 — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т 3 и Т 4 на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то u вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u вых соответствует логической единице.

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

Сокращение КМОП означает «комплементарный МОП-транзистор». Также иногда используется сокращение COSMOS, которое обозначает «комплементарная симметричная МОП-структура». Логические элементы этого подсемейства строятся как на «-канальных МОП-полевых транзисторах, так и на /^-канальных МОП-полевых транзисторах. Схемы этого подсемейства характеризуются ярко выраженной симметрией. При разработке схем применяют только самозапирающиеся МОП-транзисторы (см. Бойт, Электроника, ч. 2, разд. 8.2, МОП-полевые транзисторы).
Симметричность схем видна особенно хорошо в схеме элемента НЕ (рис. 6.91). Если на входе А действует Я-уровень, например +5 В, то транзистор Т2 отпирается. На его истоке и подложке 0 В. Напряжение затвор-исток UGS составляет +5 В. К истоку и подложке транзистора Тх приложены +5 В.

Если к управляющему электроду также прикладываются +5 В, то напряжение затвор-исток UGS = О В. Транзистор Тх заперт. Если Тх заперт, а Т2 открыт, то выход элемента Z имеет уровень L (рис. 6.92).
Если на входе А действует i-уровень О В, то транзистор Т2 запирается и напряжение затвор-исток UGS составляет О В. Напряжение затвор-исток транзистора Ту UGS = —5 В, так как напряжение истока +5 В, а затвора О В. Транзистор отпирается. Если Тх открыт, а Т2 заперт, выход элемента Z имеет уровень Н.
В КМОП-НЕ-элементе всегда один транзистор открыт, а другой заперт.
Если на выходе элемента НЕ действует уровень 0, то элемент практически не потребляет ток, так как Тх заперт. Если на выходе элемента НЕ действует уровень Н, то элемент также практически не потребляет ток, так как теперь Т2 заперт. Для управления последовательно включенными элементами также не требуется ток, так как полевые транзисторы практически не потребляют мощность. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой — из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны перезарядиться транзисторные емкости.
Все КМОП-элементы устроены так, что в токовой ветви один транзистор закрыт, а другой открыт. Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко. Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты переключения.
КМОП-элементы отличаются малым энергопотреблением.
На рис. 6.93 изображена следующая типичная КМОП-схема. Если на обоих входах действует уровень L, то транзисторы 7’ и Т2 будут открыты, транзисторы Тг и Т4 заперты. Ту и Т2 при О В на А и В имеют UGS = — 5 В, а Т3 и Т4 имеют UGS = О В. На выходе Z действует уровень Н.
Если на входе А действует уровень Н(+5 В), а на входе 5-уровень L (О В), то Ту закрывается, а Т2 открывается. Путь от источника питания к выходу Z блокирован запертым транзистором.

Одновременно отпирается транзистор Т3 и на выходе Z действует примерно О В, то есть уровень L. Г4 заперт. Z всегда имеет уровень Z, если по крайней мере на одном входе действует уровень Н. Соответствующая схеме (рис. 6.93) рабочая таблица представлена на рис. 6.94. Схема производит при положительной логике операцию ИЛИ-НЕ.
Какую логическую операцию производит схема на рис. 6.95? Прежде всего для схемы должна быть составлена рабочая таблица. Если на обоих входах действуют Z-уровни (О В), то транзисторы Т{ и Т2 открываются (UGS = — 5 В). Транзисторы Т3 и Г4 закрываются (UGS = О В). На выходе Л-уровень.
Если на обоих входах действуют #-уровни (+5 В), то транзисторы Тъ и Т4 открываются, а транзисторы Тх и Т2 закрываются. На выходе Z будет действовать Z-уровень.
Если на один вход приложен Я-уровень, а на другой — Z-уровень, то один из верхних транзисторов на рис. 6.95 (7^ или Т2) открывается. Один из нижних (Т3 или Г4) запирается. Через открытые транзисторы к выходу будет прикладываться if-уровень. На рис. 6.96 представлена соответствующая таблица истинности. Схема выполняет при положительной логике функцию И-НЕ.

КМОП-элементы производятся в основном в виде элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Особым элементом подсемейства КМОП является передаточный элемент. Он состоит из параллельного включенных и-канального МОП-транзистора и ^-канального МОП-транзистора (рис. 6.97).
Передаточный элемент работает как переключатель.
Если к Gx будет приложен уровень Н (например +5 В) и к G2 — уровень L (О В), то оба транзистора запираются. В /ьканальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Образование проводящего канала между истоком и стоком становится невозможным. Также и в я-канальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Здесь также не может возникнуть проводящий канал. Сопротивление между точками А и Zдостигает нескольких сотен МОм.
Если на <7, действует уровень L (О В), а на G2 — уровень Н (+5 В), то напряжение затвора /^-канального МОП-транзистора относительно подложки будет —5 В. Напряжение затвора и-канального МОП-транзистора относительно подложки +5 В. При этих напряжениях образуются проводящие каналы между истоком и стоком. Канал между А и Z будет низкоомным (примерно от 200 Ом до 400 Ом). Рабочая таблица представлена на рис. 6.98.
Уровни на входах Gl и G2 всегда прикладываются в противофазе. Управление может происходить с помощью элемента НЕ (рис. 6.99). Получается двунаправленный ключ. У полевых транзисторов передаточного элемента исток и сток могут взаимно менять свои функции. Поэтому вывод затвора обозначается в середине его условной линии (рис. 6.99).
Интегрированные КМОП-микросхемы всегда содержат множество логических элементов, которые могут быть использованы по отдельности или как единая сложная логическая функция. На рис. 6.100 показана структура схемы CD 4000 А. Эта схема содержит два элемента ИЛИ-HE с тремя входами каждый и элемент НЕ. Схема CD 4012 А (рис. 6.101) содержит два элемента И-НЕ с четырьмя входами каждый.
Интегральные схемы арифметических логических устройств содержат очень много КМОП-элементов. На рис. 6.102 приведена схема 4-битного сдвигающего регистра. Эта схема рассмотрена подробно в гл. 8.

Рис. 6.102. Схема КМОП-4-битного сдвигового регистра CD 4015 A (RCA)

Микросхема CD 4008 А является 4-битным полным сумматором. Полные сумматоры рассматриваются подробно в гл. 10. Схема приведена здесь как пример КМОП-схемотехники (рис. 6.103).
Интегральные микросхемы в КМОП-исполнении могут производиться с очень большой плотностью элементов,
Можно схему целого калькулятора уместить в одной микросхеме. Дальнейшее совершенствование технологий ведет к повышению возможной плотности компоновки.
Напряжение питания КМОП-элементов может колебаться в широком диапазоне.
Для серии CD-4000-A (рис. 6.100—6.103) фирма-производитель RCA указывает диапазон напряжений питания от 3 В до 15 В. Типичные передаточные характеристики при ряде напряжений питания показаны на рис. 6.104.
Часто используются напряжения питания +5 В и +10 В. Для этих напряжений питания на рис. 6.105 и 6.106 показаны диаграммы уровней. Для больших напряжений питания характерна лучшая помехоустойчивость.
Разность между уровнями L и Н, отвечающая за помехоустойчивость, для КМОП-схем составляет примерно от 30% до 40% напряжения питания.
В следующей таблице приведены важнейшие параметры КМОП-эле-ментов:

Рис. 6.103. Схема КМОП-4-битного полного сумматора CD 4008 A (RCA)

Подавляющее большинство современных логических микросхем , в том числе, процессоров , используют схемотехнику КМОП.

История

Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам . Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий . Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний .

Технология

Схема 2И-НЕ

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

• Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
• Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства

Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства

• На КМОП-транзисторах (CMOS):
  • 164, 176, 561 и 564 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 питание только 9В;
  • 1554 - серии 74AC;
  • 1561 - серии 4000B;
  • 1564 - серии 74HC;
  • 1594 - серии 74ACT;
  • 5564 - серии 74HCT;