Микросхемы кмоп — идеальное семейство логических схем. Логические элементы на кмоп-транзисторах

Цифровые микросхемы. Типы логики, корпуса

Ну сначала скажем так: микросхемы делятся на два больших вида: аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы работают с аналоговым сигналом, а цифровые, соответственно – с цифровым. Мы будем говорить именно о цифровых микросхемах.

Точнее даже, мы будем говорить не о микросхемах, а об элементах цифровой техники, которые могут быть «спрятаны» внутри микросхемы.

Что это за элементы?

Некоторые названия вы слышали, некоторые, может быть – нет. Но поверьте, эти названия можно произносить вслух в любом культурном обществе – это абсолютно приличные слова. Итак, примерный список того, что мы будем изучать:

• Триггеры
• Счетчики
• Шифраторы
• Дешифраторы
• Мультиплексоры
• Компараторы

Все цифровые микросхемы работают с цифровыми сигналами. Что это такое?

Цифровые сигналы – это сигналы, имеющие два стабильных уровня – уровень логического нуля и уровень логической единицы. У микросхем, выполненных по различным технологиям, логические уровни могут отличаться друг от друга.

В настоящее время наиболее широко распространены две технологии: ТТЛ и КМОП.

ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика;
КМОП – Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник.

У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы – 2,4 В.
У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания.

По-всякому, единица – когда напряжение высокое, ноль – когда низкое.

НО! Нулевое напряжение на выходе микросхемы не означает, что вывод «болтается в воздухе». На самом деле, он просто подключен к общему проводу. Поэтому нельзя соединять непосредственно несколько логических выводов: если на них будут различные уровни – произойдет КЗ.

Кроме различий в уровнях сигнала, типы логики различаются также по энергопотреблению, по скорости (предельной частоте), нагрузочной способности, и т.д.

Тип логики можно узнать по названию микросхемы. Точнее – по первым буквам названия, которые указывают, к какой серии принадлежит микросхема. Внутри любой серии могут быть микросхемы, произведенные только по какой-то одной технологии. Чтобы вам было легче ориентироваться - вот небольшая сводная таблица:

Наиболее распространены на сегодняшний день следующие серии (и их импортные аналоги):

• ТТЛШ – К555, К1533
• КМОП – КР561, КР1554, КР1564
• ЭСЛ – К1500

Тип логики выбирают, в основном, исходя из следующих соображений:

Скорость (рабочая частота)
- энергопотребление
- стоимость

Но бывают такие ситуации, что одним типом никак не обойтись. Например, один блок должен иметь низкое энергопотребление, а другой – высокую скорость. Низким потреблением обладают микросхемы технологии КМОП. Высокая скорость – у ЭСЛ.

В этом случае понадобятся ставить преобразователи уровней.

Правда, некоторые типы нормально стыкуются и без преобразователей. Например, сигнал с выхода КМОП-микросхемы можно подать на вход микросхемы ТТЛ (при учете, что их напряжения питания одинаковы). Однако, в обратную сторону, т.е., от ТТЛ к КМОП пускать сигнал не рекомендуется.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах. Наиболее распространены следующие виды корпусов:

DIP
(Dual Inline Package)

Обычный «тараканчик». Ножки просовываем в дырки на плате – и запаиваем.

Ножек в корпусе может быть 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 или 56.

Расстояние между выводами (шаг) – 2,5 мм (отечественный стандарт) или 2,54 мм (у буржуев).

Ширина выводов около 0,5 мм

Нумерация выводов – на рисунке (вид сверху). Чтобы определить нахождение первой ножки, нужно найти на корпусе «ключик».

SOIC
(Small Outline Integral Circuit)

Планарная микросхема – то есть ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит брюхом на плате.

Количество ножек и их нумерация – такие же как у DIP .

Шаг выводов – 1,25 мм (отечественный) или 1,27 мм (буржуазный).

Ширина выводов – 0,33...0,51

PLCC
(Plastic J-leaded Chip Carrier)

Квадратный (реже - прямоугольный) корпус. Ножки расположены по всем четырем сторонам, и имеют J -образную форму (концы ножек загнуты под брюшко).

Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку. Последнее – предпочтительней.

Количество ножек – 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84.

Шаг ножек – 1,27 мм

Ширина выводов – 0,66...0,82

Нумерация выводов – первая ножка возле ключа, увеличение номера против часовой стрелки:

КМОП(комплементарная структура металл-оксид-полупроводник)- технология построения электронных схем. В более общем случае - КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний)

Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе процессоров, используют схемотехнику КМОП. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

В устройствах на микросхемах КМОП вполне применимы меры по борьбе с дребезгом, известные из опыта работы с микросхемами ТТЛ, например, включение статического триггера на двух элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Однако чрезвычайно высокое входное сопротивление микросхем КМОП (порядка сотен и тысяч мегаом) и относительно высокое выходное сопротивление (сотни ом - один килоом) позволяет упростить цепи подавления дребезга, исключив резисторы. Вариантом схемы является устройство, собранное всего лишь на одном неинвертирующем логическом элементе.

Здесь следует сказать несколько слов о неинвертирующих логических элементах серий КМОП. Большинство логических элементов этих серий являются инвертирующими. Как указывалось выше, микросхемы, содержащие в своем обозначении буквы «ПУ», служат для согласования микросхем КМОП с микросхемами ТТЛ. По этой причине их выходные токи при подаче на их выходы напряжения питания или соединении выходов с общим проводом в устройстве по схемам могут достигать многих десятков миллиампер, что отрицательно сказывается на надежности устройств и может служить мощным источником помех. Большое входное сопротивление микросхем КМОП позволяет в некоторых случаях обойтись вообще без активных элементов для подавления дребезга.

Наиболее перспективны серии, выполненные на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП) (К176, К564 и др.). В них отсутствуют нагрузочные резисторы, а МОП-транзисторы с разной электропроводностью каналов выполняют роль ключей. При напряжении на затворах, большем порогового, для транзисторов с каналом определенного типа соответствующий транзистор отперт, а другой заперт. При другом значении большем порогового для транзисторов с электропроводностью противоположного типа отпертый и запертый транзисторы меняются местами. Такие структуры успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для логических элементов, в состав которых входят резисторы. В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки логические элементы КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней входного сигнала и малое его отличие от напряжений источника питания; высокое входное и небольшое выходное сопротивления; хорошая помехоустойчивость; легкость согласования с микросхемами других серий.

Логические элементы КМОП, выполняющие функцию 3 И-НЕ. В нем использованы транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы VT1-VT3 имеют канал -типа и открыты при напряжении затворов, близких к нулю. Транзисторы имеют канал -типа и открыты при напряжениях затворов, больших порогового значения.

При нулевом входном сигнале хотя бы на одном из входов логического элемента один из транзисторов открыт и выходное напряжение равное Е. И только в том случае, если на всех входах есть сигнал логической единицы (обычно равный Е), все транзисторы VT1 - закрыты, а ярусно включенные транзисторы открыты. Выходное напряжение равно потенциалу общей шины (логический 0). Таким образом, сочетание ярусного включения транзисторов с каналами, имеющими один тип электропроводности, и параллельного соединения транзисторов с каналами другого типа электропроводности позволили реализовать функцию И-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включенных транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию. Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы открыты в том случае, если на их затворах логическая 1, и заперты при входных сигналах логического 0.

Из рассмотренных схем видно, что в статическом режиме один из транзисторов, включенных последовательно, всегда закрыт, а другой открыт. Так как закрытый транзистор имеет большое сопротивление, то ток в цепи определяется только малыми значениями токов утечек и микросхема практически не потребляет электрическую мощность.

В качестве базового инвертора, устанавливаемого на входе ЛЭ, обычно используется цепь. Для предотвращения пробоя пленки оксида под затворами МОП-транзисторов схему инвертора обычно дополняют диодами, выполняющими защитные функции. Постоянная времени этих компонентов около 10 не. Поэтому их введение существенно не меняет динамические характеристики логических элементов. При попадании в цепь входа статических напряжений той или иной полярности соответствующие диоды открываются и закорачивают на цепь источника питания источник статического заряда. Резистор, который вместе с барьерными емкостями диодов образует интегрирующую цепь, уменьшает скорость увеличения напряжения на затворе до значения, при котором диоды VD2, VD3 успевают открыться.

Если источник напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, то через диод при потечет большой прямой ток. Поэтому при включении аппаратуры с подобными логическими элементами напряжение питания должно подаваться раньше входного сигнала, а при выключении - наоборот. В тех случаях, когда допустимо некоторое снижение быстродействия, в цепь входа можно включать резисторы, ограничивающие входной ток на уровне.

В ряде микросхем для увеличения крутизны передаточной функции и повышения нагрузочной способности к выходу инвертора логического элемента подключают один или два дополнительных инвертора. Транзисторы дополнительного инвертора имеют повышенную мощность. За счет них обеспечивается уменьшение сопротивлений каналов открытых выходных транзисторов инвертора с кОм до кОм. Эти значения выходных сопротивлений позволяют не вводить в выходные цепи токоограничивающие резисторы, защищающие от короткого замыкания на выходе.

В логических элементах КМОП предельно просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора,управляемых инверсными сигналами. Если при подаче сигналов транзисторы закрыты, то выходное сопротивление инвертора имеет большое значение (инвертор находится в третьем высокоимпедансном состоянии).

Третье состояние имеется у отдельных микросхем, например у логических элементов типа, а также у сложных функциональных узлов серий КМОП.

Согласование логических элементов ТТЛ с логическими элементами КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) питать логические элементы КМОП малыми напряжениями, при которых сигналы логических элементов ТТЛ переключают транзисторы логических элементов КМОП;

2) использовать логические элементы ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включен резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения;

3) применять микросхемы преобразователей уровня при согласовании серий КМОП с сериями ТТЛ и при согласовании серий ТТЛ с сериями КМОП).

При необходимости увеличить выходную мощность допускается параллельное соединение нескольких микросхем. Для подавления помех по цепи питания между шинами питания включают электролитический конденсатор емкостью и параллельно ему керамические конденсаторы емкостью на корпус. Последние подключают непосредственно к выходам микросхем. Емкость нагрузки, как правило, не должна превышать. При большем значении емкости нагрузки последовательно с выходом устанавливают дополнительный резистор, ограничивающий ток ее переразрядки. При наличии выбросов напряжения во входном сигнале последовательно с входом ЛЭ можно включить ограничительный резистор номиналом до 10 кОм. Неиспользованные входы ЛЭ следует обязательно подключать к шинам источника питания или соединять параллельно с подключенными входами. В противном случае возможны пробои диэлектрика под затвором и нарушение работоспособности вследствие сильного влияния помех.

Допускается кратковременное замыкание накоротко выходных зажимов микросхем при малом напряжении питания.

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы электрически замыкают между собой. Монтаж их проводится при выключенном напряжении питания, причем обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землей.

Логические элементы КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия. В дальнейшем по мере усовершенствования технологии их изготовления они могут составить конкуренцию для логических элементов ТТЛ при создании быстродействующих устройств.

Обычно при конструировании пробников и калибраторов используют генераторы коротких импульсов, вырабатывающие сигнал с широким и равномерным спектром. Такой сигнал позволяет быстро проверять каскады радиоаппаратуры, как низкочастотные (НЧ), так и высокочастотные (ВЧ). Причем чем меньше длительность импульсов, тем лучше - спектр получается шире и равномернее.

Как правило, подобные генераторы состоят из двух основных узлов: собственно генератор прямоугольных импульсов и формирователь коротких импульсов. Между тем можно обойтись без специального формирователя, поскольку он уже имеется в логическом элементе микросхемы структуры КМОП.

Рассмотрим схему

Рисунок 4- RC- генератор

На рисунке 4 показан известный RC-генератор, работающий в данном случае на частоте около 1000 Гц (она зависит от номиналов деталей R1, С1). Низкочастотный сигнал прямоугольной формы поступает с выхода элемента DD1.2 (вывод 4) через цепочку R2C3 на переменный резистор R4 - им плавно регулируют амплитуду сигнала, подаваемого на проверяемый узел.

Выход же высокочастотного сигнала (коротких импульсов) выполнен несколько необычно - сигнал снимают с переменного резистора R3, включенного в цепь питания микросхемы. Перемещением движка этого резистора плавно регулируют уровень выходного высокочастотного сигнала.

Рассмотрим принцип работы такого формирователя по упрощенной схеме логического элемента структуры КМОП, показанного на рисунке 5.

Рисунок 5-упрощенная схема логического элемента структуры КМОП

Его основа - два последовательно включенных полевых транзистора с изолированным затвором и разным типом проводимости каналов. Если последовательно с транзисторами включить резистор R1, а на вход элемента подавать прямоугольные импульсы U1, произойдет следующее (рис. 3). Из-за того, что длительность фронта импульса не может быть бесконечно малой, а также из-за инерционности транзисторов, в момент действия фронта наступит такой момент, когда оба транзистора окажутся в открытом состоянии. Через них потечет так называемый сквозной ток, значение которого может составлять от единиц до десятков миллиампер в зависимости от типа микросхемы и напряжения источника питания. На резисторе будут формироваться короткие импульсы напряжения U2. Причем как в момент действия фронта, так и спада.

Иначе говоря, произойдет удвоение частоты исходных импульсов.

Сопротивление резистора не должно быть большим во избежание нарушения режима работы элементов микросхемы. Это означает, что к высокочастотному выходу можно подключать низкоомную нагрузку сопротивлением 50...75 Ом.

У рассмотренного генератора максимальная амплитуда импульсов на высокочастотном выходе составляет 100...150мВ, а потребляемый от источника питания ток не превышает 1,6 мА. Генератор рассчитан на использование при проверке усилителей ЗЧ, трехпрограммных громкоговорителей, радиоприемников на диапазонах ДВ и СВ.

структуры КМОП

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, через который протекает поток основных носителей зарядов, регулируемый поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным между затвором и стоком или между затвором и истоком.

Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа (электронами или дырками), такие приборы ещё называют униполярными, тем самым противопоставляя их биполярным.

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом - это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например n-типа, имеет на противоположных концах электроды (сток и исток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в данном случае p-типом.

Источник питания, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемых колебаний. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя (n-канал), то есть площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

Для проектирования цифровых ИС кроме биполярных п-р-п- и p-n-p-транзисторов используются также униполярные полевые и -канальные транзисторы (рис. 5.17,а), которые называются МОП-транзисторами (МOS-transistors; MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - металл-окисел-полупроводник). В общем случае полевой транзистор имеет четыре электрода: исток S (Source), сток D (Drain), затвор G (Gate) и подложка SS (Substrate). Вывод затвора в изображении полевых транзисторов смещается ближе к истоковому выводу. Изображение канала с обогащением штриховой линией символизирует отсутствие проводимости между стоком и истоком при нулевом напряжении затвор-исток. На рис. 5.17,а символами "+" и "-" обозначены полярности напряжений на электродах для нормального режима работы полевого транзистора. Подложка обычно подключается к истоку или к одному из полюсов источника питания.

На рис. 5.17,6 показана схема включения пары комплементарных транзисторов (транзисторов с разными типами каналов), представляющая собой электронный ключ - инвертор (ЛЭ НЕ). Особенностью данного ключа является отсутствие тока через транзисторы в статическом состоянии, так как при любом значении входного сигнала один из последовательно включенных транзисторов закрыт. Ключ потребляет ток только при его переключении на интервале времени, в течение которого изменяется входной сигнал. На этом интервале оба транзистора

открыты, так как входной сигнал имеет значения приводит к значениям разностей напряжений между затворами и истоками и -канальных транзисторов, значительно отличающимися от нулевых. Наибольший ток протекает при

Полевые транзисторы позволяют построить не только цифровые, но и аналоговые ключи для коммутации двуполярных аналоговых сигналов, что невозможно сделать на биполярных транзисторах. На рис. 5.17,в показан основной элемент такого аналогового ключа (вместо потенциала земли для коммутации Двуполярных сигналов следует подать отрицательное напряжение При значениях оба транзистора закрыты (сопротивление закрытого ключа составляет ротни ключ разомкнут, а при открывается один из транзисторов в зависимости от полярности коммутируемого входного напряжения В этом Случае сопротивление между полюсами ключа проставляет от единиц до сотен Ом в зависимости от типа (сопротивленйе открытого ключа). Чем меньше зависимость величины напряжения коммутируемого сигнала, тем выше линейность ключа. При проектировании аналоговых ключей принимают меры по улучшению их линейности. Вход и выход аналогового ключа неразличимы - входом будет тот полюс ключа, на который подан коммутируемый сигнал.

Разработаны три основные технологии изготовления ИС на полевых транзисторах:

МОП технология (n-MOS technology),

МОП технология p-MOS technology),

КМОП технология CMOS technology; CMOS - Complementary MOS).

Все эти технологии постоянно совершенствуются с целью увеличения быстродействия и степени интеграции элементов на кристалле. К настоящему времени разработано несколько десятков этих технологий.

Схемотехника КМОП ИС. Первые КМОП ИС серии были разработаны фирмой в 1968 г. , затем была выпущена серия вытесненная впоследствии ( серией с улучшенными характеристиками. Данные серии ИС выпускают многие зарубежные фирмы, например, серии Серии серии серий и др. Общим

недостатком ИС всех этих серий является их низкое быстродействие (время задержки сигналов достигает сотен не) и малые значения выходных токов.

В 1981 г. фирмами Motorola и National Semiconductor были разработаны ИС серий близкие по физическим параметрам к сериям В частности, быстродействие этих КМОП и ТТЛ серий одинаково (среднее время задержки вентиля не). Еще большее быстродействие было достигнуто в КМОП сериях разработанных в 1985 г. фирмой Texas Instruments Inc. (). Положительные свойства как ТТЛ ИС, так и КМОП ИС были реализованы фирмой в ИС серии ВСТ (1987 г.), изготовляемых по BiCMOS-технологии технология с размещением биполярных и КМОП транзисторов на одном кристалле с уровнями входных и выходных сигналов ИС, совместимых с ТТЛ-уровнями) .

В табл. 5.9 приведено соответствие отечественных и зарубежных серий КМОП ИС. Напряжение питания у КМОП ИС можно изменять в широких пределах - чем выше напряжение питания, тем больше быстродействие ИС. По выполняемым функциям и (или) нумерации выводов ИС серий 4000 в большинстве своем отличаются от ТТЛ ИС аналогичного функционального назначения. Функциональный ряд ИС серий включает в себя часть ИС как ТТЛ серий 54/74, так и КМОП серий с одинаковыми номерами во всех этих сериях имеют одинаковое функциональное назначение и нумерацию выводов).

На рис. 5.18, а показаны цепи диодной защиты входов и выходов ЛЭ от электростатического напряжения у ИС серии а на рис. 5.18,6 - у ИС серии Такую защиту входов и выходов имеют все цифровые ИС, кроме преобразователей уровней напряжений которых используется другой вариант защиты входов (рис. 5.19). При первом варианте защиты входов уровни входных сигналов не должны превышать напряжения питания из-за открывания диода, включенного между входом и полюсом При втором варианте защиты уровни входных сигналов могут в несколько раз превышать значение не выводя ИС из строя (избыточное напряжение гасится на резисторе). В этом случае ИС работает как понижающий преобразователь уровня логической 1. Входная цепь обеспечивает также защиту от отрицательных значений напряжений входных сигналов. В

(см. скан)

дальнейшем цепи защиты входов и выходов, как правило, показываться не будут.

Различие между сериями (рис. 5.19,а) и (рис. 5.19,6) заключается в наличии на выходах ИС последней дополнительных буферов для развязки ИС от внешней среды. Вместо серии в настоящее время выпускается серия с небуферированными выходами, имеющая аналогичные электрические параметры (UB - Unbuffered, В - Buffered). Наличие в серии CD40005 дополнительных выходных буферов приводит к увеличению задержек сигналов в ЛЭ, но улучшает переключательные характеристики. Сравнительная характеристика этих серий приведена в табл. 5.10.

Таблица 5.10. (см. скан) Параметры ИС серий CD4000B и CD4000UB

Реализация аналогового ключа показана на рис. 5.20. При значении сигнала ОЕ = 1 (ОЕ - Output Enable) ключ открыт, а при закрыт. В закрытом состоянии ключ характеризуется большим выходным импедансом и принято говорить, что выход находится в Z-cостоянии. Вместо

потенциала земли можно подать отрицательное напряжение но при этом должно выполняться условие

Схема двухвходового представлена на рис. 5.21. Выходной каскад на двух комплементарных транзисторах является буферным каскадом, так как он изолирует все внутренние связи от выхода ЛЭ. Различие между небуферированной и буферированной сериями наглядно видно из рис. 5.22, где представлены выполняющие одинаковые функции Другое схемотехническое исполнение ЛЭ 2И-НЕ показано на рис. 5.23.

Универсальный набор элементов, состоящий из двух комплементарных пар МОП-транзисторов и инвертора, реализован в (рис. 5.24). Данный набор позволяет пользователю с помощью внешних соединений выводов ИС получать аналоговые коммутаторы и

аналоговый двухканальный коммутатор (рис. 5.25) - соединены выводы 2 и 9; 4 и 11; 3 и 6; 8, 10 и 13; 1, 5 и 12;

три инвертора - соединить выводы 2, 11 и 14; 4, 7 и 9; 8 и 13 (выход НЕ со входом 6); 1 и 5 (выход НЕ со входом 3); 10 - вход выход НЕ;

3ИЛИ-НЕ - соединить выводы 4, 7 и 9; и 11; 5, 8 и 12 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

3И-НЕ - соединить выводы 2, 11 и 14; 4 и 8; 5 и 9; 1, 12 и 13 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 4, 8 и 9; 1 и 11; 5, 12 и 13 (выход

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 7 и 9; 4 и 8; 1, 11 и 13; 5 и 12 (выход ;

инвертор с Z-состоянием выхода, выполняющий функцию

При и Z-состояние выхода при соединить выводы 8, 11 и 13;

По сравнению с ТТЛ ИС следует отметить следующие достоинства КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561):

малая мощность потребления в диапазоне частот до (в статическом режиме мощность потребления составляет на вентиль);

большой диапазон напряжения питания можно использовать нестабилизированный источник питания; очень высокое входное сопротивление ( большая нагрузочная способность на частотах до

малая зависимость характеристик от температуры. К недостаткам КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561) следует отнести:

повышенное выходное сопротивление (0,5 ... 1 кОм); большое влияние емкости нагрузки и напряжения питания на время задержки, длительность фронтов и потребляемую мощность;

большие времена задержек и длительности фронтов; большой разброс всех параметров.

Графики зависимостей рассеиваемой мощности от частоты для КМОП и ТТЛ ИС пересекаются на некоторой частоте, поскольку у ТТЛ ИС динамическая мощность очень слабо зависит от частоты переключения. На предельно допустимых частотах мощность потребления КМОП ИС оказывается такого же порядка, что и у ТТЛ ИС.

В статическом режиме (без перегрузки) у КМОП ИС уровни выходных сигналов значительно отличаются от уровней У КМОП ИС в отличие от типовых значений Требования к уровням входных сигналов также значительно различаются: у КМОП ИС в отличие от Соответственно различаются пороги переключения: для КМОП BС и 1,2 В для ТТЛ BС. Это вызывает определенные трудности при использовании в одном устройстве ТТЛ и уровень

При Способы согласования уровней будут рассмотрены в § 5.6.

В сериях выпускаются КМОП ИС двух типов: серии не согласованные по входам с ТТЛ ИС, и серии согласованные по входам с ТТЛ ИС (не требующие дополнительного преобразования уровней). Эти серии различаются выполнением входных и выходных цепей ИС, показанных на рис. 5.26,а для ИС серий на рис. 5.26,б - для ИС серий на рис. 5.27 - для ИС серий и на рис. 5.28 - для ИС серий Пороги переключения у ИС серий находятся между , а у ИС серий порог переключения равен при требовании к уровням входных сигналов, задаваемом неравенствами

Помехоустойчивость ИС серий приведена в табл. 5.11, из которой видно, что она значительно выше, чем у ТТЛ серий (см. табл. 5.5). Предельные значения параметров ИС этих серий указаны в табл. 5.12, а рекомендуемые условия эксплуатации

(см. скан)

В табл. 5.13 .

Интегральные схемы КМОП серий, имеющие одинаковые номера (у зарубежных ИС) или одинаковые буквенно-цифровые обозначения (у отечественных ИС раздельно по группам серий 176/561/564/1561 и 1564/1554), выполняют одинаковые функции и совпадают по разводке внешних выводов. В дальнейшем на рисунках для ИС КМОП серий будет указываться название ИС только одной конкретной серии, хотя аналогичные ИС могут быть и в других сериях.

Рис. 5.29 (см. скан)

На рис. 5.29 представлены ЛЭ И-НЕ, И, НЕ, ИЛИ-НЕ и сумма по модулю два, выпускаемые отечественной промышленностью. На графических обозначениях указаны номера аналогов зарубежных ИС. Логические элементы серии 176 приведены на рис. 5.30. Применение было рассмотрено выше при описании ее зарубежного аналога комплементарные пары транзисторов, G - затвор, стоки р-канального и n-канального транзисторов, SP и SN - истоки

(кликните для просмотра скана)

p-канального и n-канального транзисторов). Зарубежные ЛЭ, не имеющие в настоящее время отечественных аналогов, показаны на рис. 5.31 и 5.32.

Рис. 5.32 (см. скан)

Параметры ИС КМОП серии приведены в табл. , а в табл. П2.3 - параметры ИС серий 4000 , которые в первую очередь следует учитывать при проектировании цифровых и микропроцессорных устройств. Параметры отечественных ИС серий 176, 561 и 1561 можно найти в справочниках , а ИС серии 1554 - в . Полезный справочный материал по ИС КМОП серий имеется в .

Интегральные схемы серий 54.АС11000/74.АС11000.

Для уменьшения уровня помех у быстродействующих КМОП ИС, возникающих при переключении ЛЭ, предпочтительнее использовать центральное расположение выводов питания на

кристалле, причем выходы ИС следует располагать на той стороне, где находится общий вывод питания (GND). Фирма выпустила серии где число И указывает на центральное расположение выводов питания ИС, а числа порядковый номер ИС, как и в остальных сериях На рис. 5.33 приведены ЛЭ этих серий.

Интегральные схемы серий SN54BCT/SN74BCT.

Как указывалось выше, ИС данных серий изготовляются по BiMOS технологии. Входные цепи ИС выполняются по схеме, приведенной на рис. 5.34,а, что делает входы этих ИС совместимыми с ТТЛ-уровнями входных сигналов.

В микропроцессорных системах в большом количестве используются шинные драйверы и приемопередатчики, причем в каждый момент времени в активном состоянии находится приемопередатчик или драйвер только одного внешнего устройства, а остальные - в Z-состоянии. Драйверы и приемопередатчики, выполняемые по ТТЛ технологиям, в Z-состоянии выходов потребляют ток того же порядка, что и в активном состоянии выходов, хотя не выполняют большую часть времени полезной работы.

Основная цель разработки BiMOS ИС и заключалась в резком снижении потребляемого тока в Z-состоянии выходов ИС, предназначенных для проектирования внешних устройств микропроцессорных систем. На рис. показана схема -состоянием выхода, выполненного по BiMOS технологии входная цепь, показанная на рис. 5.34,а).

Неиспользуемые входы ИС.

При проектировании цифровых устройств на ИС могут использоваться не все их входы. Исходя из логики работы разрабатываемого устройства, на эти входы следует подать либо логический уровень 0, либо уровень 1. Логический уровень 0 как в ТТЛ, так и в КМОП ИС подается подключением неиспользуемого входа к корпусу Логический уровень 1 подается на неиспользуемые входы подключением их к источнику напряжения питания (ТТЛ ИС) или (КМОП ИС), однако входы ТТЛ ИС серий 54/74, , в которых используются многоэмиттерные транзисторы, рекомендуется подключать к источнику питания через токоограничивающий резистор для защиты от скачков напряжения, возникающих, например, при включении питания.

Интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики представляют собой микросборки малой степени интеграции, построенные на биполярных транзисторах. Основным их минусом является малое количество на один кристалл, а также критичность к напряжению питания и достаточно большой ток потребления.

На схеме чуть выше изображен простой логический элементов - 3И – НЕ . В его основе лежит обычный биполярный многоэмиттерный транзистор VT1. Уровень логического нуля на его выходе появится в случае наличии высоких уровней на всех трех эмиттерах одновременно. VT2 берет на себя функцию инвертирования (элемент НЕ), а многоэмиттерный VT1 является логическим элементом 3И.

Несмотря на перечисленные минусы самая популярная серия ТТЛ, К155 пользуется огромной популярностью и сегодня, посмотрите сколько радиосамоделок можно собрать на .

Серия К155 является самой огромной серией ТТЛ. В ней более 100 микросборок выполняющих различные логические функции и операции (И, ИЛИ, НЕ, И – НЕ, ИЛИ – НЕ, триггеры, регистры, счётчики, сумматоры.

Уровень логической единицы в микросхемах этой ТТЛ серии лежит в диапазоне напряжений от 2,4 V до 5 V), а уровень логического нуля не более 0,4 V.

Почти все микросборки этой серии, выпускаются в стандартном 14 выводном корпусе. С точкой или выемкой ключа, обазначающей первый вывод. 7-й вывод это корпус или минус. 14 лежащий напротив первого, это плюс.

Следующим шагом в эволючии К155 стала серия К555, в которой базовый ТТЛ принцип сохранен, но в коллекторные переходы транзисторов добавлены . Поэтому К555 серию назвали ТТЛШ (ТТЛ и диод Шоттки). В ТТЛЩ потребляемая мощность снизилась где-то в 2 раза, а быстродействие резко возрасло.

Буква К в начале аббревиатуры расшифровывается как - комплементарный . На практике это говорит о том, что в микросборке используются пары с одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой соответственно p-типа. Еще их называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

На рисунке приведен пример классического базового логического элемента НЕ. То есть если на вход придет единица, то на выходе будет уже логический ноль и наоборот.

Элемент 2И – НЕ . Из парочки этих логических элементов легко получить , а из нескольких триггеров - счетчик, регистр и элементарный запоминающие устройства.

И теперь о ложке дегтя: на максимальной рабочей частоте КМОП элементы заметно уступают другой логикой на биполярных транзисторах (ТТЛ) и они оффигенно чувствительны к статическому электричеству.

Цифровые ИМС на основе КМДП структур все шире используются при разработке разнообразных электронных схем, на что имеются весьма веские причины. КМДП ИМС - это в высшей степени универсальные и легко применяемые устройства, которые обладают уникальными свойствами, нехарактерными для других классов цифровых ИМС.

Комплементарными эти ИМС названы потому, что они изготовлены на основе КМДП транзисторов, т.е. на основе пар полевых транзисторов со структурой: металл - окисел(диэлектрик) - полупроводник, имеющих очень близкие характеристики и каналы разных типов проводимости. ИМС, построенные по такому принципу потребляют от источника питания существенно меньшую мощность, чем все другие ИМС и могут работать в более широком диапазоне уровней питающих напряжений. Электронные наручные часы и устройства для автомобиля, медицинские электронные приборы, телевизионные приемники, портативные калькуляторы - это лишь немногие примеры устройств, в которых используются КМДП ИМС.

Основные достоинства цифровых ИМС на КМОП-структурах - большое входное сопротивление транзисторов (R вх) 10 12 Ом) и высокий уровень интеграции. При выполнении импульсных устройств на интегральных логических элементах КМОП сопротивления времязадающих резисторов вследствие высоких входных сопротивлений транзисторов не ограничены сверху, следовательно, для получения импульсов с большой длительностью не следует увеличивать электрическую емкость времязадающих конденсаторов.

Комплементарные структуры представляют собой взаимодополняющие пары биполярных (p-n-p и n-p-n) или МДП (p-канальных и n-канальных) транзисторов, что позволяет значительно улучшить характеристики ИМС. Они изготавливаются на общей подложке в карманах, изолированных от подложки либо p-n -переходом, либо диэлектрической пленкой. Комплементарные транзисторы выполняются в виде горизонтальной и вертикальной структур.

В транзисторах горизонтальной структуры эмиттер, база, и коллектор расположены на одной горизонтальной плоскости, поэтому инжектированные в базу неосновные носители перемещаются не перпендикулярно поверхности кристалла, а вдоль нее. Такие транзисторы называются торцевыми (латеральными). При изготовлении торцевых

транзисторов p-n-p - типа формирование эмиттеров осуществляется во время базовой диффузии n-p-n - транзисторов. Затем путем второй базовой диффузии эмиттер p-n-p - транзистора окружается коллектором. Базой транзистора служит исходный слой полупроводника n-типа между этими областями. Ширина базы, следовательно, и значение коэффициента передачи тока базы и определяются расстоянием между окнами, протравливаемыми в фоторежиме для эмиттера и коллектора.

В вертикальных структурах база располагается под эмиттером (инжектированные неосновные носители перемещаются в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла). Все три области p-n-p - транзистора (коллектор, база и эмиттер) формируются путем диффузии. Такие комплементарные структуры сложны в изготовлении из-за высоких требований точности концентрации легирующих примесей. Однако транзисторы, изготовленные по такой технологии, имеют больший, чем транзисторы с горизонтальной структурой козффициент передачи тока базы и и высокое напряжение пробоя коллекторного перехода.

Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n -МОП и p -МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (рис. 4.17 ) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

На рис. 4.5.2. приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n -каналом (VТ n ) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р -каналом (VТ p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.

Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+E П ), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТ n , а в качестве нагрузочного – VТ p .

Рис. 4.17.1. КМОП инвертор

Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов

Инвертор (рис. 4.17 ) построен так, что исток VТ p соединен с E n , а исток VТ n – с землей. Затворы VТ n и VТ p объединяются и служат входом инвертора, стоки VТ n и VТ p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТ n и VТ p: U зип = U вх, U зир = U вх -Е п

U зип – напряжение затвор-исток n -канального транзистора (VТ n );

U зир – напряжение затвор-исток р -канального транзистора (VТ р ).

При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТ n и VТ p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение U Пп = ½U Пр ½=1,5В.

U Пп - пороговое напряжение n -канального транзистора;

U Пр - пороговое напряжение p -канального транзистора.

Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 4.18-а ), на которой можно выделить четыре участка и зависимости U ЗИ = f (U BX ) (рис. 4.18-б ).

Участок 1: U 0 вх £ U Пп . При этом U зип = U вх и VТ n закрыт, U зир = U вх - Е п < U Пр и VТ p открыт.

Рис. 4.18. Характеристики КМОП инвертора:
а) ХВВ, б) U ЗАТВОР-ИСТОК = f(U ВХ); в) I ПОТР = f(U BX)

VТ n закрыт), VТ p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к E П (U 1 ВЫХ » E П).

Участок II: U П > U ВХ > U Пп,

где U П - напряжение, при котором происходит переключение схемы

и U ВЫХ = 0,5(U 1 - U 0). U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n начинает открываться, U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ p открыт.

На этом участке ½U ЗИП ½< ½U ЗИР ½, поэтому VТ p будет оставаться в насыщении, а VТ n – в активном режиме.

VТ n .

Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТ p , за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТ p все еще находится в насыщении.

Точка U П : U ВХ = U П =0,5Е П;

U ЗИП =U ВХ = U П > U Пп , и VТ n открыт; 0,5Е П < U Пр и VТ p открыт.

В этой точке |U ЗИП |=|U ЗИР | следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (U ВЫХП =0,5E П). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.

Участок III: Е П - ½U Пр ½ > U ВХ > U П ; U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n открыт; U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ Р открыт, но с ростом U ВХ становится все менее и менее открытым.

На этом участке U ЗИП > |U ЗИР |, и поэтому VТ n находится в насыщении, a VТ p – в активном режиме.

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ p .

Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТ n . Так как VТ n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом U BX оно все более и более уменьшается.

Участок IV: Е п > U вх > Е п - ½U Пр ½; U зип = U вх > U Пп и V n открыт; U зир = U вх -Е п >U зип и VТ p закрыт.

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ p закрыт). VТ n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (U вых » 0).

Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а ), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (U вх = U П )лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (Е П >U вх > 0). При Е П = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом E П абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от Е П (U 0 вх.макс » 0.3Е П , U 1 вх.мин » 0.7Е П ).

Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10 12 ¸10 13 Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.

Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТ n или VТ p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10 2 ¸10 3 Ом.

Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.

Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.

Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.

Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.

В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10 -6 -10 -7 А).

В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда U ЗИП и ½U ЗИР ½> U ПОР и оба транзистора VТ n и VТ p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.

При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEf П где f П – частота переключения схемы.

К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U 1 вх.мин для КМОП схем было бы больше E П - |U ПР | длянадежного запирания VТ p . Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к E П .

Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.

На рис. 4.19 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 4.20) .

В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.

Рис. 4.19. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП

Рис. 4.20. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП

Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 4.21) .

Рис. 4.21. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества

Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.

Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:

Е П =3¸15В; U 0 =0,01В (при Е П =5В и I н =0); U 1 =4,99В (при Е П =5В и I н =0); I 0 вх =0,2мкА; I 1 вх =0,2мкА; I П =0,17мА (при Е П =10В, F =100кГц и С н =50пФ); t з =80нс; I 0 вых =0,9мА (при U 0 вых =0,5В и Е П =10В); I 1 вых =0,9мА (при U 1 вых =Е П -0,5В и Е П =10В); С н = 200пФ; С вх =12пФ.

Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).