Компьютерная
схемотехника
Лекция 4. Цифровые микросхемы КМОП-логики
Базовые элементы микросхем КМОП - логики
В последнее время широкое распространение получили интегральные микросхемы на основе полевых транзисторов структуры металл-окисел-полупроводник (МОП - транзисторы).
Принципиальные особенности транзисторов этого типа позволяет создавать элементы с малым потреблением мощности при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности.
Некоторые серии микросхем выполнены на МОП - транзисторах одного типа проводимости, однако достоинства их в полной мере раскрываются при совместном применение транзисторов с каналами противоположных типов проводимости. Подобные структуры называются комплементарными и обозначаются сокращенно КМОП, а устройства на их основе - приборами КМОП - логики.
Базовые элементы микросхем КМОП - логики
Параметрами микросхем КМОП - структуры близки к идеальным:
-в статическом режиме они почти не потребляют мощности;
-имеют очень большое входное и незначительное выходное сопротивления;
-характеризуются высокой помехозащищенностью и большой нагрузочной способностью;
-обладают высоким быстродействием и хорошей температурной стабильностью;
-двойная амплитуда выходного сигнал практически равна напряжению источника питания;
-имеют высокую плотность размещения элементов;
-могут устойчиво работают в широком диапазоне питающих напряжений (от 3 до 15 В), что позволяет питать их от различных источников, а также сопрягать по входам и выходам с микросхемами
ТТЛ и операционными усилителями.
Инвертор КМОП
Простой инвертор состоит из двух встречно включенных МОП- транзисторов с индуцированными каналами р- и n-типов
Инвертор КМОП
Инвертор содержит три каскада:
-защитную цепочку;
-непосредственно инвертор;
-паразитные диоды.
Защитная цепочка
Затвор МОП - транзистора и подложка, разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор. Емкость этого конденсатора невелика, около 5 пФ, а сопротивление утечки огромно, примерно 1012 Ом, что создает условия для накапливания статических зарядов. Слой диэлектрика под затвором имеет толщину (70-100) нм и его электрическая прочность не превышает (150-200) В.
На теле человека и на оборудовании за счет электризации могут возникать заряды статического электричества с потенциалом в несколько киловольт. Такие заряды, даже малой энергии, попав на затвор, способны вызвать необратимый пробой в слое диэлектрика.
Для защиты транзисторов от повреждения высоким напряжением статического электричества каждый вход микросхем КМОП снабжают диодно-резистивной защитной цепочкой. Эта цепочка является неотъемлемой частью микросхемы и изготавливается в одном технологическом цикле.
Защитная цепочка
Защитная цепочка состоит из резистора R сопротивлением (0,5 - 1,5) кОм и диодов, которые замыкают повышенные входные напряжения либо на источник питания +Uп, либо на общую шину.
В зависимости от значения и полярности входного напряжения диоды проводят в прямом направлении или оказываются в режиме лавинного пробоя, который наступает при обратном напряжении (30-35) В. Лавинный пробой диодов имеет обратимый характер и на работоспособности микросхем не отражается.
Инвертор
Рассмотрим функционирование инвертора.
При подаче на вход высокого напряжения p-МОП транзистор VT1 закрывается, а n-МОП транзистор VT2 открывается, и выходное напряжение является низким. При подаче на вход низкого напряжения транзистор VT1 открывается, транзистор VT2 закрывается и на выходе имеет место высокий уровень напряжения. Таким образом, инвертор выполняет функцию НЕ.
«Паразитные» диоды
В отличие от диодов, специально вводимых в схему для защиты входов от пробоя, существование диодов на выходе инвертора обусловлено конструкцией транзисторов микросхемы. Эти диоды - не самостоятельные компоненты, а p-n переходы, которые обеспечивают взаимную изоляцию областей с разными типами проводимости. Они должны быть смещены в обратном направлении, что выполняется, если выходное напряжение находится в границах от -Uп до +Uп.
Входная характеристика
Входной ток в рабочем режиме составляет ≈ 10 нА с учетом поправки на поверхностный эффект; в наихудшем случае входной ток при комнатной температуре не превышает
100нА.
Внормальных условиях работы
0,7В <UВХ < UП + 0,7В. Если значение
входного напряжения выходит за указанный диапазон, то следует принимать меры по защите диодов от выхода из строя ограничением их тока на уровне (1- 2) мА. Однако применение токоограничивающего резистора снижает быстродействие микросхемы.