5.1.3 Функциональный состав ттл ис и ттлш ис

Продолжение табл. 5.4

Продолжение табл. 5.4

Продолжение табл. 5.4

Продолжение табл. 5.4

Продолжение табл. 5.4

Продолжение табл. 5.4

Окончание табл. 5.4

* Указан номер рисунка с данной микросхемой, приведенного в справочнике Цифровые интегральные микросхемы. П.П. Мальцев, Н.С. Долидзе, М.И. Критенко и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.: ил.

5.2 Схемотехника элементов серий кмоп

Из многочисленных серий цифровых микросхем на полевых транзисторах наибольшее распространение получили серии микросхем КМОП.

Сокращение КМОП — это начальные буквы четырех слов из полного определения: комплементарные полевые транзисторы со структурой металл—окисел—полупроводник. Слово комплементарный переводится как взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но с полупроводниковыми структурами, взаимно отображенными как бы в виде негатива и позитива. В биполярной схемотехнике — это транзисторы n-p-п иp-n-р, в полевой р-каналь-ные иn-канальные. Здесь р — первая буква словаpositive,n—negative.

Интересно, что на первых этапах развития биполярных цифровых микросхем предсказывали широкое распространение комплементарных биполярных логических элементов на p-n-р и п-p-nтранзисторах. К примеру, если в ТТЛ удалось бы заменить выходной каскад на двухтактный комплементарный, принципиально повысилась бы экономичность элемента. Однако биполярная комплементарная транзисторная логика не прижилась из-за трудности изготовления на кристалле большого количества компактных по площади и высококачественных по параметрам интегральных р-п-р транзисторов.

Напомним, что в аналоговой схемотехнике, где р-п-р транзисторы просто необходимы как для упрощения схемотехники, так и для улучшения свойств усилителей, проблема создания хороших р-п-р транзисторов для технологов все еще существует. Поэтому реально биполярные микросхемы ТТЛ имеют на выходе так называемый квазикомплементарный каскад. На кристалле делают только п-p-nтранзисторы. Эта компромиссная схема элемента ТТЛ оказалась оптимальной и перспективной на многие десятилетия.

Первые попытки выпускать серии простых полевых элементов, сходных по схеме с РТЛ, к успеху не привели. Логические элементы получались крайне медленнодействующими, поскольку внутреннее сопротивление канала у полевого транзистора на порядок больше, чем сопротивление между коллектором и эмиттером насыщенного биполярного транзистора. Однополярные микросхемы МОП не отличались ни помехоустойчивостью, ни малой потребляемой мощностью. Хорошие результаты дало применение двуполярного инвертора, построенного на комплементарной полевой паре.

5.2.1 Инвертор на комплиментарной моп-паре

На рис. 5.7,апоказано последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов:р- иn-канального. Их затворы подключены к движку потенциометра. Нагрузки на выходе нет.

Если движок находится внизу, на оба затвора сразу подается нулевой уровень, поэтому отрицательной полностью открыт только р-канал и разомкнутп-канал. Выходное напряжение.

а— схема для снятия переходной характеристики;б — передаточная характеристика

Рис. 5.7 - Инвертор КМОП

Если перевести движок в крайнее верхнее положение, на выходном проводе появится нулевое напряжение , потому что теперьп-канал будет замкнут, ар-канал разомкнется. Когда на затворы от движка поступает среднее напряжение, выходное напряжение также окажется близким к, если сопротивления каналов примерно равны ().

На рис. 5.7,бпоказана результирующая передаточная характеристика инвертора КМОП. Точки изломов характеристики соответствуют пороговым напряжениям включенияп- ир-канала, т. е.и. Для анализа работы инвертораDD1 воспользуемся управляющим переключателемS1 (рис. 5.8,б).

Чтобы получить более полное представление о свойствах входной и выходной цепей КМОП-инвертора полезно рассмотреть поперечное сечение того участка кремниевой пподложки, где он расположен. Такой эскиз показан на рис. 5.8,а. Следует учесть, что по горизонтали размер этой структуры не более 50 мкм, а по вертикали менее 10 мкм (толщина в буквальном смысле несущейп-подложки 300 мкм). Вблизи поверхности подложки расположена диффузионная областьр-примеси, чтобы сделать «карман». Знакамир+ обозначены области истока и стокар-канального МОП транзистора с повышенной концентрацией дырок. Дляп-канального МОП транзистора сделаны в «кармане» две высоколегированныеп+-области. Здесь избыток электронов, это области истока и стока.

а — поперечное сечение структуры КМОП;б — защитный диод на входе инвертора;в — полная схема инвертора с защитными и паразитными диодами

Рис. 5.8 - Особенности инвертора КМОП

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DD1 (рис. 5.8,в). К затворам присоединен защитный стабилитронVD3. На рис. 5.8,а стабилитрон не показан, но он присутствует в структуре обязательно, иначе вход инвертора будет пробит статическим электричеством. Природу пробоя тонкого окисного слояSiO₂можно уяснить, вспомнив формулу заряда конденсатораC=q/U. Затвор и поверхность подложки суть обкладки конденсатора С. Если в нем накопится случайный зарядq, потенциал между обкладками станетU. Если заряд стал чрезмерным (ведь ему некуда стекать),Uпревысит напряжение пробоя тонкого слоя диэлектрикаSiO₂(толщина примерно равна 1 мкм). К слову, МОП- и КМОП-усилители без защитного стабилитрона существуют. Они предназначены для электрометрических цепей, т. е. фактически для измерения зарядаq. Это специально оговаривается в сертификате прибора.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробой от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 5.8,впоказана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается нап-подложку. Низкий уровень напряжения питания присоединяется к специальной шине, соединяющей «карманы» (см. рис. 5.8,а).

Конденсатор С на рис. 5.8, в символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пФ. ДиодыVD1—VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. ДиодVD1 имеет пробивное напряжение 25 В,VD2 иVD3 — 50 В. Последовательный резисторR=200 Ом...2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость затворов С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки.

Диоды VD4—VD6 защищают выход инвертора от пробоя междуп+ ир⁺ областями (см. рис. 5.8,а, по горизонтали). Здесь также верхний диодVD4 имеет пробивное напряжение 50 В, нижнийVD5 — 25 В. Эти диоды, как правило, составная часть структуры (рис. 5.8,а). ДиодVD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания. Такие диоды делаются в структуре специально.

Рис. 5.9 - Выходные токи инвертора КМОП

Рассмотрим электрические параметры инвертора КМОП. На рис. 5.9, а, бпоказаны пути тока через нагрузки инвертораR_Hпри высоком (В) и низком (Н) уровнях, поступающих от управляющего переключателяSI. Если отS1 подан высокий В входной уровень,n-транзистор (см. рис. 5.9,а) замкнут, от источника питаниячерез резисторR_Hвп-канал стекает ток нагрузки низкого уровня. На рис. 5.9,бпоказанр-транзистор замкнутым, для этого отS1 подан низкий уровень Н. От проводачерезр-канал в нагрузкуR_Hстекает ток нагрузки высокого уровня. Чтобы высокийи низкий уровниинвертора максимально приближались к напряжениями 0 В, необходимо выполнить условие, чтобы сопротивление каналаR_K«R_Ни как дляр-, так и дляп-каналов.

Условие R_K«R_Hвыполняют для специально конструируемых мощных инверторов КМОП, работающих на выходах микросхем. Напомним, что малое сопротивление каналаR_Kравноценно повышенной крутизне усиленияSполевого транзистора. Пределыидля оконечных буферных инверторов обычно оговариваются. Если их превысить, структура может нарушиться. Оконечные транзисторы с большой крутизной занимают значительную часть площади кристалла микросхемы.

Выход малосигнального инвертора внутри микросхемы работает в другом режиме. Он нагружается на очень большое входное сопротивление последующего инвертора. Эквивалент такого включения показан на рис. 5.9, в. Здесь выходной скачокот логического элемента — источника (ЛЭИ) попадает на вход ЛЭ нагрузки (ЛЭН). Поскольку~10¹² Ом, ясно, что установившиеся токиибудут ничтожно малыми фактически при любом значенииR_K(обычно, для малосигнальных инверторовR_K= 5...10 кОм). Следовательно, статические напряжения высокого и низкого уровня на выходе ЛЭИ будут практически равныи 0 В. Однако в момент скачка напряжениечерез сопротивление его каналовR_К должна зарядиться (или разрядиться) входная емкость ЛЭН. Её значение обычно 5...15 пФ. Следовательно, при= 5 кОм следует ожидать длительность фронта и среза входного импульса ЛЭН:

Если на вход ЛЭН поступил положительный перепад ,будет заряжаться через сопротивлениер-каналаR|J. Следовательно, длительность положительного фронта импульса

Замыкание n-канала на выходе ЛЭИ вызовет разряд емкости, поэтому время отрицательного среза импульса

Если технологическими способами уравнять и, то выходные фронты ЛЭИt^0,1иt^1,0окажутся одинаковыми.

Условия, соответствующие модели (рис. 5.9, в), имеют место внутри микросхемы, т. е. на кристалле, где паразитные емкости очень малы. Приt^0,1=t^1,0< 150 нс можно ожидать быстродействия логических устройств на уровне 3...5 МГц.

Чтобы сохранить эти скорости обработки данных при обслуживании большого числа входов внешних ЛЭН (это входы других корпусов микросхем КМОП), требуется, чтобы ЛЭИ, работающие на выходах микросхем (буферные элементы), имели бы малые сопротивления каналов. Наибольшие импульсные токи иотдают выходы ЛЭИ, обслуживающие шины данных системы, т. е. провода, к которым присоединяется с одной стороны много выходов ЛЭИ, а с другой — много входов ЛЭН. Такие шины иногда называют тяжело нагруженными. Для их обслуживания следует применять специальные буферные элементы — шинные формирователи.

Рис. 5.10 - Измерение тока потребления (а), связь входного импульса U_BX, импульсов тока питанияI_ДИН, также среднего тока потребленияI_ПОТ(б)

Согласно (рис. 5.9, а—б) ЛЭИ не должен потреблять ток питания, если на его входе присутствуют статические уровни: либо В, либо Н. Действительно в первом случае разомкнутр-канал (т. е. отомкнут от нагрузкиисточник), во втором случаер-канал замкнут, ноочень велико (10¹² Ом), поэтому от источника питанияпотребляется пренебрежимо малый статический ток высокого уровня.

Однако если на вход ЛЭИ подать последовательность импульсов, и в цепь источника питания включить миллиамперметр, можно обнаружить, что с ростом частоты следования входных импульсов будет повышаться и динамический ток потребления I_{пот.дин}(см. рис. 5.10,а). На рис. 5.10,бпоказаны осциллограммы импульсов тока питания. Видно, что импульсыI_дин соответствуют по времени фронту и срезу входного импульса. Для инвертора из схемы К176ЛП1 уровень токаI_{пот.дин}= 1...1.3 мА. Основная составляющая импульса питания — сквозной ток отв землю, поскольку есть момент, когда оба канала инвертора открыты. Средний уровень тока потребленияI_потокажется тем больше, чем выше частота следования входных импульсов. Если входная последовательность окончилась, токI_пот без входного сигнала становится равным нулю.

Передаточные характеристики определяют помехоустойчивость элементов КМОП. На рис. 5.11, а показаны условные пределы характеристик (кривые 1 и 2) инвертора, а на рис. 5.11,б— неинвертирующего элемента. По вертикальным осям отмечены пороговые напряженияи, когда происходит переключение состоянияр- иn-каналов. Пересечение пороговых уровней с характеристиками дает предельные значения напряжений помех снизу(помеха от шины «земля») и сверху(помеха от шины питания). Помехоустойчивость для элементов КМОП достаточно велика, так как допустимо напряжениедо 30% от напряжения питания.

Импульсная помехоустойчивость растет, если длительность входных импульсов помехи меньше, чем среднее время задержки распространения сигнала в микросхеме.

Особо следует оговорить устойчивость переключения синхронных устройств на микросхемах КМОП. Необходимо, чтобы время фронтов нарастания и спада тактового импульса было бы меньше, чем 5...15 мкс (т. е. тактовые импульсы должны иметь крутые фронты). Во-первых, если фронт импульса длительный, пологий, инвертор КМОП долго находится в усилительном режиме, поэтому сквозной импульс тока (см. рис. 5.10, б) чрезмерное время течет через него, структура может перегреться и разрушиться.

Во-вторых, время нарастания перепада на тактовом входе t^0,1 должно быть меньшим, чем времяt_зд.рплюс время переходного процесса на выходе триггерного элемента. На рис. 5.11,в показано последовательное соединение двухD-триггеров. При медленно нарастающем перепаде на входе С выходной сигнал триггераDD1 запишется наD-вход триггераDD2, ошибочно переключится на низкий уровень (рис. 5.11,г), поскольку фронт С еще не превысил уровень 0,7.

а—пределы характеристик инвертирующего элемента;б—то же для неинвертирующего;в — общая тактовая шина двухD-триггеров;г — медленноменяющийся тактовый импульс дает ошибку счета

Рис. 5.11 - Передаточные характеристики инвертора КМОП и помехоустойчивость:

Необходимо принимать особые меры защиты элементов КМОП. Во-первых, все входные сигналы не должны выходить за пределы напряжения питания . Если проектируются мультивибраторы (автогенераторы и ждущие), в них следует ограничивать токи перезарядки конденсаторов микроамперными уровнями, включая последовательные резисторы. Во-вторых, входы КМОП не должны оставаться неприсоединенными. Реально опасны случаи разъединения печатных плат, находящихся под питанием, когда через разъем сигналы от одной платы поступают на другую. Здесь следует предусматривать шунтирующие резисторы (к проводамили нулевому). В-третьих, многие микросхемы КМОП могут работать от сигналов ТТЛ. Здесь следует подключать резисторы утечки от входа КМОП на питание ТТЛ 5 В.

Следует принимать меры защиты выходов микросхемы КМОП. Надо избегать случайных замыканий выходов буферных элементов с повышенным выходным током на провод питания. Нельзя соединять выходы обычных элементов непосредственно, поскольку произойдет замыкание одного из каналов на источник питания.

Если требуется параллельное соединение входов и выходов элементов, они должны быть из одного корпуса микросхемы. Нельзя применять емкости нагрузки С_н>5000 пФ для буферных и высоковольтных оконечных элементов, поскольку такой незаряженный конденсатор равноценен перемычке короткого замыкания.

Серийные микросхемы КМОП выпускаются более десяти лет. Первые микросхемы такой структуры были низковольтными. Это отечественная серия KI76 и аналогичная зарубежнаяCD4000A. Напряжение питания для микросхем этих серий было равно 9 В. Оно лимитировалось напряжением пробояп-кармана (см. рис. 5.8,а).

Последующая эволюция технологии позволила повысить предел напряжения питания до 15 В. Вместе с тем нижний пределсоставляет .3 В. Быстродействие микросхем КМОП растет пропорционально увеличению напряжения питания. Поэтому для усовершенствованных серий К561 (аналог — серияCD4000 В) при=15 В типовое значение времени= 50 нс на логический элемент, при статической рассеиваемой мощности — 0,4 мкВт на элемент.

Перспективная, так называемая HCMOS— логика (здесь Н — начальное сокращение перевода словаhigh— высококачественная) выполняется с помощью процессов ионной имплантации и с заменой металлических пленок областей затворов на поликремниевые. Микросхемы такого исполнении конкурируют по быстродействию (10...15 нс) с микросхемами на структурах с барьером Шотки, конкретно с ТТЛ серией 74LS(К555)