5.2.4.2 Передаточные характеристики

Особенность идеальных передаточных характеристик КМОП-структур — это симметричность относительно точки переключения схемы из одного логического состояния в другое.

Рис. 5.17 - Типовые передаточные характеристики одного ЛЭ ИС К564ЛА7 по напряжению (а) и току (б)

На рис. 5.17 изображены типовые передаточные характеристики одного ЛЭ ИС К564ЛА7 по напряжению и току при различных напряжениях питания и температуре. Характеристики показывают высокую помехозащищенность 45 % Uccи температурную стабильность схемы, т. е. незначительные колебания точки переключения при изменении температуры. Кривая нарастания тока потребления описывает момент переключения схемы из одного логического состояния в другое. За первую половину фронта импульса происходит нарастание тока потребления в результате появления сквозного тока, за вторую половину ток падает до нуля.

5.2.4.3 Помехоустойчивость

КМОП ИС К564 характеризуются высокими статической и динамической помехоустойчивостями. Упрощенно помехоустойчивость можно выразить как способность микросхемы исключить передачу помехи с входа схемы на ее выход.

Статическая помехоустойчивость характеризует возможности схемы при длительном импульсе помехи, а динамическая помехоустойчивость — при кратковременных помехах.

Граничное значение помехоустойчивости определяется максимальным входным напряжением для низкого уровня и минимальным входным напряжением для высокого уровня:

где u_ol — выходное напряжение низкого уровня при отсутствии помехи на входе;u_oh — выходное напряжение высокого уровня при отсутствии помехи на входе;U_NIL — низкий уровень статической помехи;U_NIH — высокий уровень статической помехи;U_ILmax — максимальное входное напряжение низкого уровня, при котором выходной логический уровень не меняет своего состояния;U_IHmin— минимальное входное напряжение высокого уровня, при котором логический уровень не меняет своего состояния.

Рис. 5.18 - Передаточные характеристики КМОП-инвертора

Большой запас помехоустойчивости (рис. 5.18) ИС К564 обеспечивается тем, что входное напряжение, при котором микросхемы меняют логическое состояние, примерно равно 0,5U_сс однако для обеспечения гарантированных запасов помехоустойчивости в ТУ приводится обычно 30 %-ное значение допустимой помехи. На рис. 3.5 показаны гарантированные уровни помехоустойчивости в диапазоне напряжений 3...15 В.

Рис. 5.19 - Гарантированные уровни помехоустойчивости ИС К564 в диапазоне напряжения 3...15 В

Уровень помехи (В) для большинства ИС К564, за исключением ИС 564ПУ9, ПУ7, ТЛ1: U_NIL=|0,01 —1,5|≈1,5 иU_NIH=|4,99—3,5|≈1,5 приU_cc=5 В;U_NIL=|0,01- 3| ≈3 иU_NIH= |9,99—7|≈3 приU_cc=10 В (рис. 5.20).

Рис. 5.20 - Поля допусков выходных и входных напряжений КМОП (а) приU_cc=5 В и биполярных ИС (б)

Статическая помехоустойчивость микросхем увеличивается с ростом напряжения питания, а колебания помехоустойчивости в зависимости от температуры незначительны из-за высокой температурной стабильности передаточных характеристик.

Динамическая помехоустойчивость находится в прямой зависимости от уровня статической помехоустойчивости, скорости переключения микросхемы, входной и выходной емкостей, от длительности, амплитуды и формы сигнала помехи. Высокая динамическая помехоустойчивость ИС К564 объясняется относительно невысоким быстродействием микросхем, а также высоким уровнем статической помехоустойчивости.

Исходными величинами для расчета динамической помехоустойчивости являются пороги переключения схемы, характеризующие статическую помехоустойчивость, и длительность импульса помехи.

Рис. 5.21 - Зависимость динамической помехоустойчивости от длительности импульса помехи

На рис. 5.21 показана зависимость динамической помехоустойчивости от длительности импульса. При увеличении длительности импульса помехи и приближении ее значения к t_TLH иt_THL выходного сигнала схемы динамическая помехоустойчивость стремится к значению статической помехоустойчивости. Эти характеристики используются для расчета типовой энергии помехоустойчивости:

E_N = t_p/R₀,

где — порог переключения схемы;t_p — длительность импульса помехи;R₀ — импеданс микросхемы относительно земли в момент воздействия помехи, обычно равен выходному сопротивлению.

Используя значения амплитуды помехи U_t и длительности импульса помехиt_p (рис. 5.21), можно построить зависимостьE_N (t_p) при заданном сопротивленииR₀.

Рис. 5.22 - Зависимость энергии помехоустойчивости от длительности импульса помехи

Из рис. 5.21 и 5.22 видно, что энергия помехоустойчивости имеет минимальное значение Е_Nminпри длительности импульса помехиt_p.min, для которой амплитуда помехи приближается к значению статической помехоустойчивости, т. е. порогу переключения схемыU_tHmin (рабочая точка), значениеE_{n min}является базовым при проведении расчетов и сравнении микросхем различных серий.

Помехи, возникающие в системе, можно разбить на помехи на проводах питания, возникающие вследствие логических преобразований; помехи из-за паразитной емкостной или индуктивной связи; помехи как следствие отражения сигналов при увеличении их длительности на информационных проводах.

В системе помеху необходимо снизить до значений ниже предельных для ИС К564.

Существенным фактором является ограничение импульсной помехи по цепям питания.

При изменении логического состояния микросхемы возникают переходные процессы. Если уровень переходного напряжения велик, то возможно ошибочное срабатывание логической схемы.

Относительно сильные колебательные процессы возникают из-за переключения КМОП ЛЭ из состояния с очень высоким импедансом в низкоомное состояние и обратно при существовании паразитных емкостей и индуктивностей в проводах. Наибольший скачок тока возникает при переключении выходных каскадов КМОП ИС.

Снижения напряжения помехи можно добиться рациональным размещением проводов питания. Для уменьшения колебательного процесса необходимо уменьшить паразитную индуктивность схемы. Этому способствуют короткие и широкие провода, применение экранирующей поверхности для земли, полосковых и микрополосковых линий и конденсаторов развязки. Для эффективной развязки источника питания емкость конденсаторов должна выбираться такой, чтобы заряд, возникающий при скачке тока, приводил к минимальному изменению напряжения.