Логические элементы на кмоп-транзисторах. Логические уровни кмоп микросхем

Логические уровни КМОП микросхем при пятивольтовом питании показаны на рис.9.

Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП микросхем при пятивольтовом питании приведена на рис. 10.

Рис. 10. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП микросхем.

Из рисунка 10 видно, что запас по уровням срабатывания для обеспечения помехоустойчивости у КМОП более 1,1 В. Это почти втрое больше чем у ТТЛ.

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы смещаются пропорционально изменению напряжения питания.

Семейства кмоп микросхем

Первые КМОП микросхемы не имели защитных диодов на входе, поэтому их монтаж представлял значительные трудности. Это семейство микросхем серии К172. Следующее улучшенное семейство микросхем серии К176 получило эти защитные диоды. Оно достаточно распространено и в настоящее время. Серия К1561 (иностранный аналог этих микросхем - C4000В.) завершает развитие первого поколения КМОП микросхем. В этом семействе было достигнуто быстродействие на уровне 90нс и диапазон изменения напряжения питания 3..15В.

Дальнейшим развитием КМОП микросхем стала серия SN74HC. Эти микросхемы отечественного аналога не имеют. Они обладают быстродействием 27нс и могут работать в диапазоне напряжений 2..6В. Они совпадают по цоколёвке и функциональному ряду с ТТЛ микросхемами, но не совместимы с ними по логическим уровням, поэтому одновременно были разработаны микросхемы серии SN74HCT (отечественный аналог - К1564), совместимые с ТТЛ микросхемами и по логическим уровням.

В это время наметился переход на трёхвольтовое питание. Для него были разработаны микросхемы SN74ALVC с временем задержки сигнала 5,5нс и диапазоном питания 1,65..3,6В. Эти же микросхемы способны работать и при 2,5 вольтовом питании. Время задержки сигнала при этом увеличивается до 9нс.

Наиболее перспективным семейством КМОП микросхем считается семейство SN74AUC с временем задержки сигнала 1,9нс и диапазоном питания 0,8..2,7В.

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики Общие сведения об эсл имс

Интегральные микросхемы на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) получили широкое распространение в качестве элементной базы быстродействующей вычислительной и радиоэлектронной аппаратуры. Микросхемы на основе ЭСЛ имеют ряд достоинств, которые обеспечили их преимущество перед другими микросхемами при построении данного класса аппаратуры:

1. Хорошая схемно-техническая отработанность и, как следствие, сравнительно невысокая стоимость при изготовлении.

Высокое быстродействие при средней потребляемой мощности или сверхвысокое быстродействие при большой потребляемой мощности.

Малая энергия переключения.

Высокая относительная помехоустойчивость.

Высокая стабильность динамических параметров при изменении рабочей температуры и напряжения питания.

Большая нагрузочная способность.

Независимость тока потребления от частоты переключения.

Способность ИМС работать на низкоомные линии связи и нагрузки.

Широкий функциональный набор микросхем.

10. Удобство применения в условиях повышенной плотности компоновки с использованием многослойного печатного монтажа и низкоомных коаксиальных и плоских кабелей.

В настоящее время ИС ЭСЛ являются самыми быстродействующими микросхемами на основе кремния, выпускаемыми промышленностью как у нас в стране, так и за рубежом. Опыт проектирования аппаратуры, показывает, что применение ИС ЭСЛ оптимально для построения быстродействующих радиоэлектронных устройств, в частности ЭВМ высокого быстродействия, и менее эффективно при разработке радиоэлектронных устройств малого и среднего быстродействия.

Высокое быстродействие обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном режиме, в результате чего исключается накопление и рассасывание неосновных носителем заряда.

Структурно базовый элемент ЭСЛ содержит: источник опорного напряжения (ИОН), токовый переключатель (ТП) и эмиттерные повторители.

В основу токового переключателя на входе положена схема с объединенными эмиттерами (рис.11). Главные ее достоинства: постоянство суммарного тока эмиттеров / э = 1 э 1 + I э2 в процессе работы; наличие прямого и инверсного выходов U вых1 , U вых2 .

Рис. 11. Базовый логический элемент ЭСЛ

К современным цифровым микросхемам ЭСЛ относятся ИС серий 100, К100, 500, К500, 1500, KI500.

Типовое время задержки логических элементов ИМС серии К1550 0,7 нс, серии К500 0,5...2 нс; серии 138 2,9 нс. ЭСЛ микросхемы имеют помехоустойчивость по напряжению низкого и высокого уровней не менее 125 мВ и 150 мВ, разброс выходного напряжения низкого уровня 145...150 мВ, высокого уровня 200 мВ. Амплитуда логического сигнала U л до 800 мВ. В ИМС серии 500 уровень интеграции до 80 логических элементов на кристалле; функциональный набор микросхем - 48 модификаций, потребляемая элементом мощность Р пот =8...25мВт (в ненагруженном состоянии), энергия, потребляемая при переключении А = 50 пДж.

Базовый логический элемент ИМС К500 благодаря наличию прямого и инверсного выхода одновременно выполняет две функций: ИЛИ-НЕ и ИЛИ . В отрицательной логике выполняются функции И/И-НЕ. Электрическая схема базового элемента ЭСЛ состоит из трех цепей (рис.12): токового переключателя (ТП), выходных эмиттерных повторителей (ЭП) и источника опорного напряжения (ИОН).

Токовый переключатель построен на транзисторах VT 1- VT 5 и резисторах R 1- R 7 и представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме ключа, имеющий несколько входов. Увеличение числа входов ТП достигается параллельным подключением дополнительных входных транзисторов VT 1- VT 4.

Базовый ЛЭ работает следующим образом. При подаче на все входы схемы XI - X 4 напряжения низкого уровня (-1,7 В) входные транзисторы VT 1- VT 4 закрыты, транзистор VT 5 открыт, так как напряжение на его базе U ОП = -1,3 В выше.

Большая потребляемая и рассеиваемая мощности являются недостатками микросхем ЭСЛ, что является следствием их работы в ненасыщенном режиме. Малый логический перепад, с одной стороны, повышает быстродействие, а с другой снижает помехоустойчивость.

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).

Лекция. Изготовление процессоров

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов , соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы микпроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора).

Как делают микросхемы

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник - это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная .

Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная - к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы - основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом - при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время - 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток . Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится.

Рис. 1. Принцип работы КМОП-транзистора

Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток - говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов.

Вот изображение поперечного сечения процессора:

Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.

Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).

Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого - получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

Шаг 4. Литография

Шаг 5. Травление

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Шаг 7. Напыление и осаждение

Шаг 8. Заключительный этап

Перспективные технологии

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)

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.