1.4. Элементы на моп-транзисторах

1.4.1. Элементы на однотипных моп-транзисторах (моптл)

С ериям цифровых ИС МОПТЛ свойственно наличие двух ба­зовых элементов, хотя основа у них общая - ключ (рис. 1.18,а). Двойственность обусловлена желанием расширить исходные функ­циональные возможности элементов в связи с простотой и одно­родностью компонентов, состоящих из набора управляемых тран­зисторов и общей нагрузки (неуправляемого транзистора). Если управляемые транзисторы соединить параллельно, то ЛЭ выполняют операцию ИЛИ-НЕ, если последовательно - И-НЕ. Количество управляемых транзисторов ограничено: при парал­лельном соединении из-за роста тока утечки закрытых транзисто­ров падает уровень , при последовательном соединении в откры­том состоянии растет уровень U°.

В связи с тем, что затворы транзисторов и подложка разделе­ны тонким слоем диэлектрика, имеющего огромное сопротивление утечки (примерно 10¹²Ом) и не очень высокую электрическую прочность (150...200В), возникает опасность необратимого пробоя этого слоя статическим зарядом, который может быть передан на затвор при обращении с ИС. С целью защиты транзисторов от пробоя каждый вход ЛЭ снабжают охранной цепью. На рис 1.18 такие цепи образуют стабилитроны Д1, Д2, которые ограничивают входные напряжения на безопасных уровнях

Как следует из 10.4.2, ключи на однотипных МОП-транзисто­рах имеют большое выходное сопротивление. Поэтому при введе­нии охранных цепей возрастает паразитная емкость для нагружа­емых элементов и резко падает быстродействие цифрового устройства. Это обстоятельство _ВО многом предопределило применение МОПТЛ элементов главным образом в БИС, где, будучи в «глу­бинке», они не нуждаются в охранных цепях и емкости нагрузки для них малы.

1.4.2. Элементы на комплементарных моп-транзисторах (кмоптл)

Базовыми элементами серий ИС КМОПТЛ являются инвертор и двунаправленный ключ. Реальная схема инвертора отличается от схемы ключа на комплементарных МОП -транзисторах (рис. 10.12,а), рассмотренной в 10.4.2, лишь наличием защиты входов, являющихся внешними вы­водами ИС (рис. 1.19).

Охранная схема содержит резистор R сопротивлением 0,5 . ...1,5 кОм и диоды Д1...ДЗ, которые шунтируют входное напряжение либо на шину источника питания + либо на общую шину. В нормальных условиях, когда входное напряжение не выходит за пределы-0,7В...( +0,7В), диоды закрыты. Если подава­емое на вход напряжение выходит за указанные пределы и внут­реннее сопротивление источника сигнала мало, следует считаться с опасностью повреждения охранной цепи чрезмерным входным током. Ограничение тока обеспечивает резистор R. Верхний пре­дел его сопротивления определяется допустимым ухудшением быстродействиям ключа из-за роста времени перезаряда входной емкости транзисторов и диодов Д2, ДЗ.

В отличие от диодов, специально вводимых в схему для защи­ты от пробоя, имеются диоды Д4...Д6, которые являются сопутст­вующими, возникающими при изготовлении комплементарных транзисторов. Это видно из рис. 1.20, где показано поперечное сечение структуры инвертора. Сопутствующие диоды Д4, Д5 подключены к выходу инвертора. Они остаются закрытыми, если на­пряжение на выходе, так же как и на входе, находится в грани­цах питающего напряжения. Диод Д6 отпирается при переполюсовке источника питания. Ох­ранные цепи и сопутствующие диоды на принципиальных схе­мах обычно не изображают.

Существует еще одна при­чина, по которой следует опа­саться перегрузок и соблюдать определенные правила обра­щения с аппаратурой на КМОПТЛ ИС. Некоторые p-n -переходы могут образовать взаи­модействующие биполярные транзисторы, как показано на рисунке 1.21.

Здесь бипо­лярный n-p-n-транзистор обра­зует область n⁺-типа истока МОП-транзистора Т1, областью его кармана p-типа и общей подложкой n-типа. Происхождение p-n-p-транзистора аналогич­но. Оба паразитных транзистора включены так, что образуют структуру, подобную тиристору, включенному между шинами питания. Для ее активизации достаточно короткого импульса на лю­бую базу. В результате происходит замыкание шины питания и общей шины, управление по входам прекращается, и из-за боль­шой рассеиваемой мощности микросхема может выйти из строя. Единственный способ привести ее в нормальный режим - отклю­чить питание. Сравнительно низкие объемные сопротивления под­ложки и кармана шунтируют эмиттерные переходы, благодаря чему для запуска такой системы требуется достаточно большой ток. При правильном обращении с аппаратурой такие токи не возникают и паразитный тиристор всегда заперт. Однако опасность его возбуждения существует.

Для предотвращения нежелательных явлений напряжение пи­тания следует всегда подавать раньше любых входных сигналов, особенно если их источники имеют малое выходное сопротивление. Выключение аппаратуры следует выполнять в обратном порядке.

Логические элементы других типов строятся на основе базовых инверторов путем изменения топологии соединений их транзисто­ров на кристалле ИС. Так, для получения элемента ИЛИ-НЕ n-канальные транзисторы соединяются параллельно, а р-канальные последовательно (рис. 1.22,а), для элемента И-НЕ наоборот - n-ка­нальные последовательно, а р-канальные параллельно (рис. 1.22,6).

Образуется два яруса транзисторов относительно выходного вы­вода. Как и в отдельном инверторе, здесь при любой комбинации входных сигналов в установившемся режиме ток от источника питания практически отсутствует, так как один из ярусов всегда закрыт. Например, для ЛЭ ИЛИ-НЕ нижний ярус закрыт при наличии на всех входах сигналов логического нуля, а при других комбинациях закрыт верхний ярус. В логическом элементе И-НЕ состояния транзисторов противоположны.

Ввиду малости остаточного напряжения на открытых тран­зисторах количество входов КМОПТЛ элементов на уровни и почти не влияет. Однако элементы с числом входов более че­тырех обычно не создают. При необходимости расширить число логических входов используют монтажную логику.

На рис. 1.23,а показан пример получения многовходового элемента И-НЕ путем подключения к выходам трехвходовых ЛЭ И-НЕ диодной схемы ИЛИ. Схема реализует функцию:

При использовании элементов ИЛИ-НЕ и диодной схемы И (рис. 1.23,б) расширяется число переменных для операции ИЛИ-НЕ:

Двунаправленный ключ в сериях ИС КМОПТЛ выступает как второй базовый элемент. Он представляет собой специфический узел, не имеющий функциональных аналогов среди микросхем других видов логики. Назначение двунаправленного ключа (ДК) можно уподобить назначению реле. Изготавливаются ДК как в виде самостоятельных ИС, так и в составе ИС, имеющих другие функ­циональные назначения.

Двунаправленный ключ без устройства управления (рис. 1.24) состоит из пары комплементарных МОП-транзисторов. Истоки и стоки у них соединены перекрестно и выведены наружу. Ключ управляется двумя взаимно инверсными сигналами и , кото­рые подаются на затворы транзисторов.

Оба транзистора открыты, когда на затворе n-канального тран­зистора T1 напряжение , а на затворе р-канального тран­зистора . Проводящие каналы обоих транзисторов имеют небольшое сопротивление (сотни Ом) и обладают двусторонней проводимостью между точками А и Б. Параллельное включение транзис­торов уменьшает общее сопротивле­ние и делает его почти не завися­щим от коммутируемого напряже­ния. Это позволяет использовать ДК и для коммутации аналоговых сигналов (см. п. 8.2).

Когда управляющие сигналы на затворах меняют свое значение, транзисторы запираются и сопро­тивление между точками А и Б воз­растает (до 10⁹ Ом). Управляющий сигнал Е обычно формируется с помощью инвер­тора.

На рис. 1.25,а это транзисторы Т3 и Т4. Условное графи­ческое обозначение ДК примем таким, как показано на рис. 1.25,6.

В силу своей специфичности двунаправленные ключи обусло­вили и необычные схемотехнические решения цифровых устройств. Например, если в выходную цепь источника сигнала включить ДК, получится элемент с тремя статическими состояниями. При запертых транзисторах ДК элемент находится в состоянии высокого импеданса. В ряде случаев применение ДК позволяет существенно упростить цифровые устройства, в частности триггеры, счетчи­ки, регистры.

В заключение следует отметить, что микросхемы КМОПТЛ, как никакие другие, имеют статические параметры, близкие к иде­альным: почти не потребляют мощности; имеют очень большое входное и малое (выходное сопротивления и, следовательно, высо­кую нагрузочную способность; отличаются высокой помехоустой­чивостью, обусловленной тем, что логический перепад близок к Е_и.п, а пороговый уровень-к, 0,5 Е_и.п. Пороговый и логические уровни практически не зависят от температуры. К достоинствам необходимо отнести способность нормально работать в широком диапазоне питающих напряжений (3...15В), что позволяет упрос­тить сопряжение с цифровыми ИС других типов (например ТТЛ) и с многими аналоговыми устройствами.

Заметим, что с увеличением напряжения питания быстродей­ствие растет. Обусловлено это пропорциональным ростом уровня U¹ при котором транзисторы открываются сильнее и сопротивле­ние их проводящих каналов уменьшается.

Основной недостаток микросхем КМОПТЛ-сравнительно не­высокое быстродействие (t_зд.ср. составляет десятки наносекунд). Во многих случаях, когда оно не играет решающей роли, этим микросхемам следует отдавать предпочтение.

Сравнительно невысокое быстродействие не является принци­пиальным свойством КМОП-структур. Это временное явление, ко­торое преодолевается по мере совершенствования технологии из­готовления.

В настоящее время промышленность выпускает ряд серий ИС КМОПТЛ: 164, К176, К561, 564, К188, К537, К572, К587 и др. Первые четыре серии содержат ИС в основном средней степени интеграции, остальные - большой.