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.
Микросхемы КМОП |
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.
Микросхемы на основе КМДП структур
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.
Комплементарная МОП логика (КМОП - КМДП -CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) сегодня является основной в производстве больших интегральных схем микропроцессорных комплектов, микроконтроллеров, СБИС персональных компьютеров, ИС памяти. Кроме ИС высокой интеграции для создания электронного обрамления БИС и несложных электронных схем выпущено несколько поколений КМОП серий малой и средней интеграции. В основе лежит рассмотренный ранее инвертор (рис 2.9) на комплементарных (взаимодополняющих) МОП транзисторах с индуцированным каналом разной проводимости p и n типа, выполненных на общей подложке (входные охранные цепочки не показаны).
Рис 3.8. Двухвходовые КМОП логические элементы а) И-НЕ, б) ИЛИ-НЕ
Как и в случае простого инвертора, особенностью ЛЭ является наличие двух ярусов транзисторов относительно выходного вывода. Логическая функция, выполняемая всей схемой, определяется транзисторами нижнего яруса. Для реализации И-НЕ в положительной логике транзисторы с n-каналом включаются последовательно друг с другом, с p-каналом – параллельно, а для реализации ИЛИ-НЕ – наоборот (Рис 3.8).
Микросхемы КМОП-структуры близки к идеальным ключам: в статическом режиме они практически не потребляют мощности, имеют большое входное и малое входное сопротивления, высокую помехозащищенность, большую нагрузочную способность, хорошую температурную стабильность, устойчиво работают в широком диапазоне питающих напряжений (от +3 до +15 В). Выходной сигнал практически равен напряжению источника питания. При Еп=+5В обеспечивается совместимость логических уровней со стандартной ТТЛ/ТТЛШ-логикой. Пороговое напряжение при любом напряжении питания равно половине напряжения питания U пор = 0,5 Еп, что обеспечивает высокую помехоустойчивость.
Логические элементы с большим числом входов организованы подобным же образом. В номенклатуре микросхем КМОП есть ЛЭ И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, с количеством входов до 8. Увеличить число входных переменных можно с помощью дополнительных логических элементов, принадлежащих к той же серии ИС.
Отечественная промышленность выпускает несколько универсальных КМОП серий: К164, К176, К561, К564, К1561, К1564.
К176 – стандартная КМОП t з =200 нс, I пот £100 мкА
К564, К561, К1561 – усовершенствованная КМОП t з =15 нс (15 В), I пот =1-100 мкА
К1564 – высокоскоростная КМОП (функциональный аналог серии 54HC) t з =9-15 нс, Uпит=2-6 В, I пот £10 мкА
Основные технические характеристики ИС серии К564 (К561) приведены ниже:
Напряжение питания U п, В …………………………..3-15
Мощность потребления
В статическом режиме, мкВт/корпус …………0,1
При f=1 МГц, U п =10 В, С н =50 пф, мвт ……….20
Допустимая мощность рассеивания. Мвт/корпус …..500
Входное напряжение, В ……………….от -0,5В до U п + 0,5В
Выходное напряжение, В
Низкого уровня ………………………… не более 0,05В,
Высокого уровня …………………не менее U п + 0,5В
Средняя задержка распространения сигнала при С н =15 нф
Для U п =+5 В, нс ………………………………50
Для U п =+10 В, нс ……………………………..20,
Рабочая температура, 0 С
Серия 564 ………………………..от -60 до +125
Серия К561 ……………………….от -40 до +85
Если развитие ТТЛ-серий, главным образом, шло в сторону уменьшения энергопотребления, то КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями.
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).
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.
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.
