Характеристики микросхем КМОП и их согласование с логическими элементами других серий

       

Характеристики микросхем КМОП и их согласование с логическими элементами других серий

Сформулируем требования к характеристикам «идеальных» логических микросхем. Они не должны потреблять мощность в статическом режиме и режиме переключения, должны иметь нулевую задержку распространения сигнала, минимальные времена нарастания и спада сигнала, помехоустойчивость, эквивалентную 50% размаха выходного сигнала.



 Параметры современных КМОП-микросхем (комплементарных МОП-микросхем) приближаются к идеальным. Во-первых, типовое значение статической рассеиваемой мощности КМОП-микросхемы, которая возникает из-за токов утечки, составляет порядка 10 нВт на один вентиль. Активная же (или динамическая) рассе-ваемая мощность зависит от напряжения источника питания, частоты переключения, выходной нагрузки и времени нарастания входного сигнала, но ее типовое значение для одного вентиля при частоте 1 МГц и нагрузке емкостью 50пФ не превышает 10мВт.

Во-вторых, хотя время задержки распространения сигнала в КМОП-вентилях и не равно нулю, но достаточно мало. В зависимости от напряжения источника питания задержка распространения сигнала для типового элемента находится в диапазоне от 4 до 8 не.

В-третьих, времена нарастания и спада контролируемы и представляют собой скорее линейные, чем ступенчатые функции. Обычно они имеют на 20-40% большие значения, чем время задержки распространения сигнала.

И, наконец, типовое значение помехоустойчивости составляет приблизительно 45% от амплитуды выходного сигнала.

Еще одним немаловажным фактором, свидетельствующим в пользу КМОП-микросхем, является их малая стоимость, особенно при использовании в портативном оборудовании, питающемся от маломощных батарей.

Источники питания, в системах, построенных на КМОП-микросхемах, могут быть маломощными, и, как следствие, недорогими. Благодаря малой потребляемой мощности, подсистема питания может быть проще, а значит дешевле. В радиаторах и вентиляторах нет необходимости, благодаря низкой рассеиваемой мощности. Непрерывное совершенствование технологических процессов, а также увеличение объемов производства и расширение ассортимента выпускаемых КМОП-микросхем приводят к снижению их стоимости.

Существует множество серий логических микросхем КМОП-структуры. Первой из них была серия К176, далее - К561 (CD4000AN) и КР1561 (CD4000BN), но наибольшее развитие функциональные ряды получили в сериях КР1554 (74АСхх), КР1564 (74HCxx) и КР1594 (74ACTxx).

Функциональные ряды современных КМОП-микросхем серий КР1554, КР1564 и КР1594 содержат полнофункциональные эквиваленты микросхем ТТЛШ-серий КР1533 (74ALS) и К555 (74LS), которые полностью совпадают как по выполняемым функциям, так и по разводке выводов А.Л. Одинец,              г. Минск, E-mail: A_Odinets@tut.by (цоколевке). Современные КМОП-микросхемы по сравнению с их прототипами, сериями К176 и К561, потребляют значительно меньшую динамическую мощность и многократно превосходят их по быстродействию.

Для упрощения схемотехнических решений разработаны КМОП-серии как с входным пороговым напряжением ТТЛ-уровней (КР1594 и некоторые другие), так и КМОП-уровней (КР1554, КР1564 и некоторые другие). Диапазон рабочих температур для микросхем общего применения находится в пределах -4О...+85°С и -55... + 125°С - для микросхем специального применения. В таблице 1 приведено сравнение входных и выходных характеристик КМОП и ТТЛШ-микросхем.

Характеристики КМОП-микросхем

Цель данного раздела заключается в том, чтобы дать разработчику цифровых систем необходимые сведения о том, как работают цифровые микросхемы структуры КМОП и как ведут себя при воздействии различных управляющих сигналов. Достаточно много было написано о конструкции и технологии производства микросхем КМОП, поэтому сегодня рассмотрим только их схемотехнические особенности.

Таблица 1. Сравнение электрических параметров КМОП и ТТЛШ-схем


Основной КМОП-схемой является инвертор, показанный на рис. 1. Он состоит из двух полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения: с каналом Р-типа (верхний) и каналом N-типа (нижний). Для обозначения выводов питания приняты: VDD или Vcc- для положительного вывода и Vss или GND - для отрицательного. Обозначения VDD и Vcc позаимствованы из обычных МОП-схем и символизируют источники питания истока и стока транзисторов. Они не относятся непосредственно к схемам КМОП, поскольку выводами питания являются истоки обоих комплементарных транзисторов. Обозначения Vss или GND позаимствованы от ТТЛ-схем, и эта терминология сохранилась и для КМОП-микросхем. Далее будут указываться обозначения VCC и GND.

Простейший КМОП-инвертор

Рис. 1. Простейший КМОП-инвертор

Логическими уровнями в КМОП-системе являются Vcc (логическая "1") и GND (логический "0"). Поскольку ток, протекающий во "включенном" МОП-транзисторе, практически не создает на нем падения напряжения, а входное сопротивление КМОП-вентиля очень велико (входная характеристика МОП-транзистора в основном емкостная и выглядит подобно его вольтамперной характеристике сопротивлением 1012Ом, зашунтированного конденсатором емкостью 5пФ), то и логические уровни в КМОП-системе будут практически равны напряжению источника питания.

Предлагаем рассмотреть характеристические кривые МОП-транзисторов для того, чтобы получить представление о том, как будут изменяться времена нарастания и спада, задержки распространения сигнала и рассеиваемая мощность с изменением напряжения источника питания и емкости нагрузки.

На рис. 2 показаны характерные кривые N-каналь-ного и Р-канального полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения.

Из этих характеристик следует ряд важных выводов. Рассмотрим кривую для N-канального транзистора с напряжением Затвор-Исток, равным VGS=15B. Следует заметить, что для постоянного управляющего напряжения VGS, транзистор ведет себя, как источник тока при значениях VDS (напряжение Сток-Исток) больших, чем VGS-VT (Ут-пороговое напряжение МОП-транзистора). При значениях VDS, меньших VGS-VT, транзистор ведет себя в основном подобно резистору.

Следует также заметить, что при меньших значениях VGS кривые имеют аналогичный характер, за тем исключением, что величина 1Ю (ток Сток-Исток) значительно меньше, и, в действительности, 1Ш возрастает пропорционально квадрату VGS. Р-канальный транзистор имеет практически одинаковые, но комплементарные (дополняющие) характеристики.

В случае управления емкостной нагрузкой с помощью КМОП-элементов начальное изменение напряжения, приложенного к нагрузке, будет иметь линейный характер, благодаря "токовой" характеристике на начальном участке, получаемой округлением преобладающей резистивной характеристики, когда значение VDS мало отличается от нуля. Применительно к простейшему КМОП-инвертору, показанному на рис. 1, по мере уменьшения напряжения VDS до нуля выходное напряжение V0UT будет стремиться кУссили GND, в зависимости от того, какой транзистор открыт: Р-канальный или N-канальный.

Если увеличивать Vcc, и, следовательно, VGS, инвертор должен развивать на емкости большую амплитуду напряжения. Однако для одного и того же приращения напряжения нагрузочная способность 1Ю резко возрастает как квадрат VGS, и поэтому времена нарастания и задержки распространения сигнала, показанные на рис. 3, уменьшаются.

Таким образом, можно видеть, что для данной конструкции, и, следовательно, фиксированного значения емкости нагрузки, увеличение напряжения источника питания повысит быстродействие системы. Увеличение Vcc не только повысит быстродействие, но также и рассеиваемую инвертором динамическую мощность, имеющую две составляющие. Во-первых, это мощность, расходуемая на перезарядку емкости нагрузки. Эта составляющая рассеиваемой мощности пропорциональна величине емкости нагрузки, частоте переключения инвертора и квадрату падения напряжения на нагрузке.

Зависимость выходного тока Ids от выходного напряжения для трех разных значений питающего напряжения Voo и начального смещения Затвор-Исток Vos

Рис. 2. Зависимость выходного тока Ids от выходного напряжения для трех разных значений питающего напряжения Voo и начального смещения Затвор-Исток Vos

Вторая составляющая рассеиваемой инвертором мощности обусловлена тем, что каждый раз, когда схема переключается из одного состояния в другое, при VCC>2VT кратковременно возникает сквозной tokIsw, протекающий от Vcc к GND через два одновременно частично открытых выходных транзистора.

Поскольку пороговые напряжения транзисторов не изменяются с ростом Vcc, то диапазон входного напряжения, в пределах которого верхний и нижний транзисторы одновременно находятся в проводящем состоянии, увеличивается с ростом Vcc. В то же время большее значение Vcc обеспечивает большие значения управляющих напряжений VGS, которые также приводят к увеличению тока Isw. Однако если бы время нарастания входного сигнала равнялось нулю, то через выходные транзисторы не было сквозного тока. Очевидно, что времена нарастания и спада фронтов входного сигнала должны иметь минимальное значение для уменьшения рассеиваемой мощности.

Рассмотрим, как зависят передаточные характеристики инвертора от питающего напряжения  Vcc(pnc. 5). Условимся считать, что оба транзистора имеют идентичные, но комплементарные (взаимодополняющиеся)характеристики и пороговые напряжения. Если Vcc меньше порогового напряжения 2VT, ни один из транзисторов не может быть включен, и схема находится в закрытом состоянии. На рис. 5а показана ситуация, когда напряжение источника питания в точности соответствует пороговому напряжению. В таком случае схема должна работать со 100% гистерезисом. Однако, это не совсем гистерезис, поскольку оба выходных транзистора закрыты, и выходное напряжение поддерживается на емкостях затворов, следующих по цепи схем. Если Vcc находится в пределах одного-двух пороговых напряжений (рис. 56), происходит уменьшение величины "гистерезиса" по мере приближения Vcc кзначению, эквивалентному 2VT (рис. 5в). При напряжении Vcc, эквивалентном двум пороговым напряжениям "гистерезис" отсутствует, также нет и сквозного тока через транзисторы в моменты переключений. Когда значение Vcc превышает два пороговых напряжения, кривые передаточной характеристики начинают закругляться (рис. 5г). Когда Vm проходит через область, где оба транзистора открыты, протекающие в каналах транзисторов токи создают падения напряжений, дающие закругления характеристик.

Рассматривая КМОП-систему на предмет устойчивости к шуму, необходимо иметь ввиду, по крайней мере, две характеристики: помехоустойчивость и запас помехоустойчивости.

Измерение времен нарастания и спада, а также задержек распространения сигнала в КМОП-системе

Рис. З. Измерение времен нарастания и спада, а также задержек распространения сигнала в КМОП-системе

Современные КМОП-схемы имеют типичное значение помехоустойчивости, равное 0,45Vcc. Это означает, что ложный входной сигнал, отличающийся от Vcc или GND на величину, равную 0,45Vcc, или меньшую, не будет распространяться в системе, как ошибочный логический уровень. Обычно такой сигнал не изменяет выходное состояние логического элемента. В триггере, например, ложный входной синхронизирующий импульс амплитудой 0,45Vcc не приведет к изменению его состояния.

Это не означает, что на выходе схемы вообще не появится никакого сигнала. На самом деле в результате воздействия сигнала помехи на выходе инвертора появится выходной сигнал, но он будет ослаблен по амплитуде. По мере его распространения в цифровой системе, сигнал будет ослаблен последующими схемами еще больше, пока совсем не исчезнет.

Гарантированный запас помехоустойчивости КМОП-схемы в диапазоне температур как функция напряжения питания V

Рис. 4. Гарантированный запас помехоустойчивости КМОП-схемы в диапазоне температур как функция напряжения питания V

Производитель КМОП-микросхем также гарантирует наличие запаса помехоустойчивости в 1В во всем диапазоне питающих напряжений и температур и для любой комбинации входов. Это всего лишь отклонение характеристики помехоустойчивости. Другими словами, из данной характеристики следует, что для того, чтобы выходной сигнал схемы, выраженный в вольтах, находился в пределах 0,1 Vcc от значения соответствующего логического уровня ("нуля" или "единицы"), входной сигнал не должен превышать значение 0,1 Vcc плюс 1В выше уровня "земли" или ниже уровня "питания". Графически данная ситуация показана на рис. 4.

Для стандартных ТТЛ-схем, например, запас помехоустойчивости составляет 0,4В (рис. 6).

Анализ особенностей применения КМОП-микросхем

Передаточные характеристики для разных значений питающего напряжения Vcc

Рис.5 Передаточные характеристики для разных значений питающего напряжения Vcc

В данном разделе рассмотрены различные ситуации, возникающие при разработке цифровых систем с использованием КМОП-микросхем: неиспользуемые входы, параллельное включение элементов для увеличения нагрузочной способности, разводка шин данных, согласование с логическими элементами других семейств.

Гарантированные значения диапазона напряжений логических уровней для ТТЛ-схем в диапазоне температур как функция напряжения питания V

Рис. 6. Гарантированные значения диапазона напряжений логических уровней для ТТЛ-схем в диапазоне температур как функция напряжения питания V

Неиспользуемые выводы или, проще говоря, неиспользуемые входы не должны оставаться неподключенными. Из-за очень большого входного сопротивления (1012 Ом) плавающий вход может дрейфовать между логическими "нулем" и "единицей", создавая непредсказуемое поведение выхода схемы и связанные с этим проблемы в системе. Все неиспользуемые входы должны быть подключены к шине питания, "общему" проводу или другому используемому входу. Выбор решения не случаен, поскольку надо учитывать возможное влияние на выходную нагрузочную способность схемы. Рассмотрим для примера че-тырехвходовый элемент 4И-НЕ, используемый как двухвходовый логический вентиль 2И-НЕ. Его внутренняя структура показана на рис. 7.

Пусть входы А и В будут неиспользуемыми входами. Если неиспользуемые входы подключены к фиксированному высокому логическому уровню, то входы А и В - к шине питания, чтобы разрешить работу остальных входов. Это приведет к включению нижних А и В транзисторов и выключению соответствующих верхних А и В. В таком случае могут быть включены одновременно не более двух верхних транзисторов. Однако если входы А и В подключены к входу С, входная емкость утроится, но каждый раз, когда на вход С поступает уровень логического "нуля", верхние транзисторы А, В и С включаются, утраивая значение максимального выходного тока уровня логической "единицы". Если на вход D поступает также уровень логического "нуля", все четыре верхних транзистора включены. Таким образом, подключение неиспользуемых входов элемента И-НЕ к шине питания (ИЛИ-НЕ к "общему" проводу) приведет к их включению, но подключение неиспользуемых входов к другим используемым входам гарантирует увеличение выходного вытекающего тока уровня логической "единицы", в случае элемента И-НЕ (или выходного втекающего тока уровня логического "нуля" в случае элемента ИЛИ-НЕ).

Для последовательно включенных транзисторов увеличения выходного тока не происходит. Учитывая это обстоятельство, многовходовый логический элемент может использоваться для непосредственного управления мощной нагрузкой, к примеру, обмоткой реле или лампой накаливания.

В зависимости от типа логического элемента объединение входов гарантирует увеличение нагрузочной способности для вытекающего или втекающего токов, но не двух одновременно. Для того чтобы гарантировать увеличение двух выходных токов, необходимо параллельно включить несколько логических элементов (рис. 8). В таком случае увеличение нагрузочной способности достигается за счет параллельного включения нескольких цепочек транзисторов (рис. 7), что увеличивает соответствующий выходной ток.

Четырехвходовый логический элемент 4И-НЕ, входящий в состав микросхемы КР1561ЛА1

Рис. 7. Четырехвходовый логический элемент 4И-НЕ, входящий в состав микросхемы КР1561ЛА1

Для разводки шин данных существуют два основных способа. Первый способ - параллельное соединение обычных буферных КМОП-элементов (например, К561ЛН2). И второй, наиболее предпочтительный, способ - соединение элементов с тремя выходными состояниями.

 

Статья предоставлена редакцией журнала Электроника. Другие статьи журнала "Электроника" можно прочитать на сайте журнала.

Дата публикации: 11.02.2010

Понравилась статья?
Поделись с друзьями:

       


Оглавление



Мнения читателей

  • Lavad / 08.02.2013 02:29
    Во-первых, согласен с Асанычем! Во-вторых, интересно, ХОТЬ КТО-НИБУДЬ проверяет выкладываемую инфу на сайте? Ладно, статью невнимательно переписал какой-то школьник... А среди модераторов/админов не нашлось никого толкового или внимательного? - Вторая половина названия статьи не соответсвует истине - ничего вразумительного не сказано о согласовании. - Таблица миниатюрна... Через лупу ее разглядывать? - \"Из-за очень большого входного сопротивления (1012 Ом)...\" Ну, если 1 кОм - уже считается очень большим... Неужели так трудно было школьнику написать \"10^12\" или, хотя бы уточнить о степени? - И еще перечислять можно. Уважаемые модераторы и админы! Знающий человек пройдет мимо этой статьи, не заметит. А начинающие? Они же в каждое слово этой галиматьи будут вчитываться! И какой опыт получат? Или откорректируйте статью, или уберите с сайта! Так будет честно по отношению к вашим посетителям.
  • Асаныч / 18.05.2011 16:42
    Очень невнятная информация, пишущий не знает о чем пишет или очень слабо понимает, то о чем пишет, а точнее переписывает.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии.


 
Web-ring: электроника, электронные компоненты и приборы
rand prev next
    Рейтинг@Mail.ru       RadioTOP