Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке.

Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.

Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.

Так появился МОП-транзистор , а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.

Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.

Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.

Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.

Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 - 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 - 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.

Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.

За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.

Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.

На рисунке показан классический базовый элемент (вентиль), который осуществляет инверсию входного сигнала (элемент НЕ). То есть если на вход приходит логическая единица, то с выхода снимается логический ноль и наоборот. Здесь наглядно показана комплементарная пара транзисторов с затворами "n" и "p" типов.

На следующем рисунке показан базовый элемент 2И - НЕ. Хорошо видно, что резисторы, которые присутствуют в аналогичном элементе ТТЛ микросхемы, здесь отсутствуют. Из двух таких элементов легко получить триггер, а из последовательного ряда триггеров прямая дорога к счётчикам, регистрам и запоминающим устройствам.

При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.

Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.

Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и металлический браслет, одеваемый на руку работнику.

Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.

CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor ) - технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. 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). 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 высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

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;

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)

Логические элементы КМОП

Эквивалентные схемы элементов, представленных выше, можно получить, используя только PMOS-транзисторы. Однако наибольший интерес представляет совместное применение PMOS и NMOS-транзисторов. Такая технология наиболее популярна сегодня и называется CMOS-технологией. Она обеспечивает максимальное быстродействие работы элементов при низком энергопотреблении по сравнению со всеми другими технологиями.

В NMOS-цепях логические функции реализовались комбинацией соединений NMOS-транзисторов, объединенных с токоограничивающим элементом.

Т.к. все элементы, построенные на NMOS-транзисторах реализуют отрицательные функции (НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ), то их можно условно представить так, как показано на блок-схеме рисунка 1.9.

Рисунок 1.9 - Структура NMOS-схемы

При этом все транзисторные цепи объединены в блок PDN (Pull-down Network) – блок отрицательной логики. Для реализации прямых логических функций необходимо соединение двух отрицательных элементов, что снижает быстродействие всего элемента в целом. Концепция CMOS-цепей основана на реализации прямых функций (И, ИЛИ) на PMOS-транзисторах таким образом, что блоки прямой логики (PUN – Pull-up Network) и блоки отрицательной логики (PDN - Pull-down Network) являются дополнениями друг друга. Тогда логическая схема, реализующая типичный логический элемент, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Структура CMOS-схемы

Для любой комбинации входных сигналов PDN устанавливает уровень логического нуля на выходе V f , или PUN устанавливает на этом выходе уровень логической единицы. PDN и PUN имеют равное количество транзисторов, которые размещены так, что эти два блока работают параллельно. Там, где PDN включает NMOS-транзисторы, соединенные последовательно, PUN строится на PMOS-транзисторах, соединенных параллельно, и наоборот.

Самый простой пример CMOS-схемы - инвертор, показан на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Реализация CMOS-инвертора

Когда сигнал V x =0V, транзистор T2 закрыт, а транзистор T1 открыт. Следовательно, V f =5V, и так как T2 закрыт, ток через транзисторы не течет. Когда V x =5V, то T2 открыт, а T1 закрыт. Таким образом, V f =0V, и тока в цепи по прежнему не будет, т.к. транзистор T1 закрыт. Это свойство справедливо для всех CMOS-цепей – логические элементы практически не потребляют ток в статическом режиме. Ток в таких цепях будет протекать только во время переключения элементов (вот почему, с ростом частоты работы устройств, построенных по этой технологии, возрастает и энергопотребление). Вследствие этого, CMOS-схемы стали наиболее популярной технологией при реализации цифровых логических устройств.

Рисунок 1.12 представляет принципиальную электрическую схему логического элемента И-НЕ CMOS. Реализация этого элемента подобна NMOS-схеме, представленной на рисунке 1.5 за исключением того, что токоограничивающий резистор был заменен блоком PUN, состоящим из двух PMOS-транзисторов, соединенных параллельно. Таблица истинности на рисунке показывает состояние каждого из этих четырех транзисторов для каждой логической комбинации вводов x 1 и x 2 . Легко проверить, что данная схема реализует логическую функцию И-НЕ. В статическом состоянии отсутствует путь для протекания тока от V DD к Gnd.

Рисунок 1.12 - CMOS-реализация логического элемента И-НЕ

Схема на рисунке 1.12 может быть получена исходя из логического выражения, которое определяет логическую функцию И-НЕ, . Это выражение определяет состояния, при которых f = 1; следовательно, оно определяет поведение блока PUN. Так как этот блок состоит из PMOS-транзисторов, которые открываются при подаче на их входы логического нуля, входная переменная x i открывает транзистор, если x i =0. По правилу де Моргана мы имеем:

Таким образом f = 1 , когда либо вход x 1 , либо вход x 2 имеют значение логического нуля, что означает что PUN должен иметь два PMOS-транзистора, соединенных параллельно. Блок PDN должен дополнять функцию f, которая имеет вид:

f = x 1 x 2

Функция f = 1 , когда оба входа x 1 и x 2 равны 1, поэтому блок PDN должен иметь два NMOS-транзистора, соединенных последовательно.

Схема для CMOS-реализации элемента ИЛИ-НЕ может быть получена из логического выражения.

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