Сравнение параметров имс серий ттл моп кмоп и кмдп кратко

Обновлено: 04.07.2024

1.Совместимость уровней входных и выходных сигналов
2.Нагрузочная способность
3.Квантование сигнала
4.Помехоустойчивость
5.Быстодействие

В начальный период развития цифровой электроники было разработано большое число разновидностей схемотехнических решений, которые реализуют основные логические операции.
Но широкое практическое применение нашли некоторые из них, которые наиболее удачно сочетают важные характеристики для производителя и потребителя.
Разработка каждой серии цифровых микросхем начинается с базового логического элемента.
Базовый логический элемент – элемент, который лежит в основе всех микросхем серии: и логический элемент и триггер и счетчик и т.д
В настоящее время при разработке ИМС наибольшее распространение получили следующие БЛЭ:
1.Построены на биполярных транзисторах:
а) ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;
б) ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотке;
в) ЭСЛ – эмитерно-связанная логика;
г) И2Л – интегрально-инжекционная логика;
2.На полевых транзисторах:
а) n-МОП и p-МОП – логика на однотипных полевых транзисторах
б) КМОП – логика на комплиментарных полевых транзисторах (метал оксид полупроводник)
Разные типы логики выполняют одинаковые логические функции. Зачем такое разнообразие типов логики?
Это объясняется различиями в основных характеристиках у разных типов логики.

Пример: КМОП min Pпотр≈10 -3 ÷10 -5 мВт , но Uномин=0,9÷2,5 В tздр=160÷200 нс
ЭСЛ min tздр≈1÷3 нс, но Uпомехи=0.1 В.
И2Л пониженное Umin+изменение tзд путем изменения Uпотр исп. В БИС.
ИМС, построенные на разных типах логики (ТТЛ, КМОП, ЭСЛ) могут иметь разные Uпит.

Не смотря на это их могут использовать для создания единой схемы. Для их сопряжения используются преобразователи уровня напряжения.
ПУ 4 КМОП → ТТЛ
ПУ 7 (с инверсией) ТТЛ → КМОП
ПУ8 (без инверсии) ТТЛ → КМОП
Самым распространенным на сегодняшний день является ИМС, реализующие ТТЛ и ТТЛШ. Они обладают средним быстродействием и средний Рпотр.
По прогнозам: с совершенствованием технологии по производству ИС на КМОП направленных на повышение быстродействия – класс КМОП ИС станет самым массовым.

Таблица 1. Основные параметры серий ИМС.

К 131
К 133
К 155
К 134

К1531
К 531
К 1533
К 555

К 176
К 561
564

В общем случае ИМС имеют N входов для подключения к элементам, и сами соединяются по выходу m элементами. Во всей этой цепочке должно быть соблюдение неискаженного преобразования информации.
Для обеспечения этого, необходимо, что бы ИМС обладали рядом свойств:

1.Совместимость уровней входных и выходных сигналов.
Должно гарантироваться согласование уровней сигналов, отображающих значение логических переменных, т.е. установившееся отклонение выходного напряжения ЛЭ, не должно превышать некоторые начальные заданные значения.
Для высокой надежности работы цифровых устройств допустимая область изменения входного сигнала логического элемента, распознаваемая как соответствующий логический уровень, должна быть шире выходной.

2.Нагрузочная способность
Нагрузочная способность -характеризует способность логического элемента получить сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов.
Для численной характеристики используют:
- коэффициент разветвления по выходу Краз= максимальному числу входов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала , выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1.
Типовые значения Краз= 2,…8 . М..б. ИМС с повышенной нагрузочной способностью Краз=20,….30 .
- коэффициент объединения по входу Коб= максимальному числу выходов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены по входу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала, выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1.

3.Квантование сигнала.
Логический элемент должен обладать формирующими свойствами, для того чтобы электрический сигнал, проходя по цепочке последовательно включенных логических элементов не выходил за рамки допустимых значений амплитуды и формы.
Формирующее свойство определяется видом его амплитудной передаточной характеристики, под которой понимают зависимость его Uвых. от Uвх.
Формирующее свойство – способность ИМС подавлять помеху и формировать сигнал правильной формы.

Пример:

Точка О – соответствует пересечению характеристики логического элемента с прямой Uвых=Uвх ;
Точки А и В получены как пересечение характеристики логического элемента с прямой перпендикулярной к зависимости Uвых=Uвх в точке О.
UA и UB – асимптотические или стандартные значения – это сигнал установившейся после прохождения по цепочке последовательно включенных логических элементов.
На вход первого логического элемента пусть подан сигнал U0 , лежащий на участке характеристики, соответствующий работе этого элемента в качестве усилителя.
По передаточной характеристики найдем U4 → 0.
Очевидно, что с увеличением числа элементов (n →∞ ) выходное напряжение UП → к UA или UB.
Исходный искаженный сигнал, пройдя через цепочку последовательно включенных логических элементов стремится к своему асимптотическому значению.
U в точке О амплитудной передаточной характеристики (АПХ) – напряжение порога квантования Uкв.
Если U=Uкв то сигнал пройдя через цепочку последовательных логических элементов не претерпит изменений.
Таким образом Uкв делит АПХ логических элементов на две области, соответствующие зонам отображения сигналов логического 0 и логической 1.

4.Помехоустойчивость.
При работе цифровых схем недопустимо даже кратковременное искажение информации, так как это приводит к потере истинности результатов.
Помехоустойчивость- свойство нечувствительности логических элементов к отклонениям его входных сигналов от асимптотических значений (т.е. уровней логического 0 и логической 1).
Внешние помехи- амплитуда и длительность их не зависит от параметров логических элементов (электромагнитное воздействие промышленной сети электропередачи – воздействие силовых переключателей и т.д.).
Внутренние помехи- амплитуда и длительность воздействия которые находятся в прямой зависимости от амплитуды и длительности фронтов сигналов на выходе.
Зона помехоустойчивости –определяется по его АПХ (амплитудно-переходной характеристике), как разность между Uкв порогом квантования и соответствующим асимптотическим уровнем сигналов логического 0 и логической 1.
В соответствии с этим различают уровни помехи по сигналам логического 0 и логической 1:
U0=| Uкв –UВ|
U1=| Uкв –UА|
Если помеха не достигнет порога квантования то на выходе логического элемента появится сигнал, амплитуда помехи в котором меньше чем на входе, таким образом в силу формирующих свойств при прохождении по цепочке по последовательно включаемых логических элементов сигнал помехи быстро затухнет.
Статические помехи- наименьшее постоянное U, которое будучи добавлено к полезному входному сигналу вызовет ошибку по всей последующей цепи логических схем. Наименьшая помехоустойчивость в схемах ЭСЛ (эмиторно - связянная логика)-0,1 ÷ 0,3 В. В ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) 0,4 ÷ 1,1 В (биполярные транзисторы). В КМОП (комплиментарные т.е. парные металоксид полупроводники) 2 ÷ 3 В (полевые транзисторы).
Импульсные помехи – кратковременные. Следовательно ее воздействие на ИМС зависит от быстродействия ИМС. Чем меньше быстродействие , тем больше вероятность того, что ИМС эту помеху не заметит. Чем выше задержка , тем менее подвержена ИМС сбою.

5.Быстодействие.
Быстродействие – временной интервал между перепадами входного и выходного U, измеренный по заданному уровню (полусумме U логического 0 и логической 1).
Быстродействие зависит от:
- электрической схемы внутренней (чем больше логический элемент, тем ниже быстродействие);
- технологии изготовления (ЭСЛ, ТТЛ, КМОП);
- характера нагрузки ( чем выше нагрузка, тем ниже быстродействие).
Быстродействие определяется средней задержкой сигнала tср равно среднему арифметическому задержек включения и выключения одного инвертора (или другого простейшего логического элемента).
Разновидности ЭМС: сверхбыстродействующие tср ÷ 10 нс, среднего быстродействия tср=10 ÷ 100 нс, низкого быстродействия tср>100 нс.
ЭСЛ - эмитерно-связная логика
КМОП комплиментарные металоксид полупроводник
Время задержки распределения:
t_1.0зр- при переходе U вых от лог.1 к лог.0;
t_0.1зр - при переходе U вых от лог.0 к лог.1;

Как правило t_1.0зр Длительность переключения выходного напряжения.
Длительность спада tсп = t_1.0ф
Длительность фронта tф = t_0.1ф
Часто исп. среднее значение: tф ср =(t_1.0ф + t_0.1ф)/2
Понятие довольно отвлеченное и разработчики чаще оперируют числом транзисторов или числом секций
-устойчивость против внешних воздействий: характеризует возможность применения ИМС при изменении t0, влажности, радиации.
Наиболее устойчивы к изменению температуры – ТТЛ (-60° ÷ +125°)
-надежность – определяется интенсивностью отказов.

Статические параметры

- входное и выходное U логического 0 и логической 1:
U0вх , U1вх ,U0вых , U1вых
- входные и выходные токи, токи потребление в составе 0 и 1.
-потребляемая мощность Pпот оценивают по средней мощности (Pпот.1+Р пот.0)/2.

Интегральные параметры

- степень интеграции - определяется округленным до большего числа значением десятичного логарифма числа элементов в одном кристалле ln N =К4. По К4 различают 6 степень на данный момент.
Интегральные параметры можно оценивать по количеству транзисторов, реализованных в кристалле интегральной микросхемы. В ИМС количество выводов может быть следующий: 8,14,16,18,20,24,36,40,48 для типов DIP и планарных.

Вернутся к содержанию.

Современная техника обладает неплохими данными. Они, обычно, указываются в паспортах к устройствам и даже рекламируются как флагманские. Однако насколько хороши на практике интегральные компоненты определить очень сложно, но всё же в некоторой степени возможно. Раньше это делали по типу логики микросхем, используемых в устройстве. Сейчас количество чипов в устройстве очень большое и типы логики могут быть различные, даже комбинированные, поэтому сложно сказать определённо какой тип логики используется в технике. Впрочем, статья написана не для покупателей аппаратов, а для радиолюбителей, чтобы им ориентироваться, какую серию микросхем предпочтительнее использовать для своих самоделок.

История и виды интегральных компонентов

Примерно с 60-х годов прошлого века началось бурное развитие электронных схем в одном корпусе. Чуть позже уже начали выпускать микросхемы, элементы которой изготавливались на одном кристалле. Практически одновременно с аналоговыми каскадами усилителей, генераторов, ключей и прочих компонентов стали использовать логические элементы. На них можно проектировать автоматику и вычислительную технику.

Интеграция микросхем

В зависимости от числа элементов, содержащихся в одном корпусе или на одном кристалле, формируется степень интеграции микросхемы. Например, число элементов до 10, 100, 1000, 10 000 в одном корпусе определяет малую, среднюю и большую степень интеграции, последняя ещё называется БИС (Большая Интегральная Схема). В ЭВМ 4-го поколения стали использовать чипы со сверхбольшими интегральными схемами (СБИС). Число элементов в них составляет от десятков тысяч до миллиона, позже нескольких миллионов.

Свойства разных типов логики

В начальном развитии логических элементов использовалась резисторно-транзисторная логика (РТЛ). Микросхемы такой структуры легко было изготавливать, работали они надёжно, но на малых скоростях. Однако из-за высокой мощности потребления и низкого быстродействия от этого типа логики стали отказываться. Подобная ей, резисторно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ) сохраняет свои позиции и сейчас. Применяют такой тип чипов при согласовании со структурой КМОП (Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник) или аналоговыми каскадами.

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) выделяется малым числом деталей элемента и лёгкостью его изготовления. Однако из-за большой задержки переключения диодов распространения не получила. Хотя замена на диоды Шоттки позволяет использовать этот тип логики и сейчас. Правда каскады в ней имеют не только диоды, но и транзисторы Шоттки, поэтому именуется ТТЛШ (Транзисторно-Транзисторная Логика с диодами Шоттки). Эта логика имеет большое быстродействие и продолжает широко использоваться до сего времени.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) изначально приобрела лидирующие позиции. В последнее время, когда тенденция развития техники взяла направление экономичности и увеличения интеграции, этот тип логики стали применять реже.

Заслуживает внимания интегральная инжекционная логика (ИИЛ) или её ещё называют И²Л. Особенность системы в том, что логическое действие совершается не на входе, как обычно, а на выходе многоколлекторных каскадов. По такой структуре функционируют микропроцессорные комплекты серии 583, 584. Также эта логика способна работать при напряжении питания 1В, логические уровни 0 и 1 – 0,05В и 0,85В соответственно.

КМОП-серия микросхем вначале применялась, в основном лишь в энергосберегающих приборах из-за низкого потребления. Первые образцы отличались малым быстродействием и низкой помехоустойчивостью. Однако со временем и улучшением своих характеристик этот тип микросхем стал наиболее используемым.

ТТЛ и ТТЛШ

В настоящее время такой тип логики применяется, в основном, для построения микросхем малой степени интеграции. Непременное условие – стабильность выходного напряжения с фиксированным значением +5В (реже 3,3В). Ток потребления компонентов с ТТЛ составляет от 10 до 120 mA, что при большом количестве элементов является малоэкономичным. Скоростные параметры этой серии высокие, также их удалось увеличить с использованием элементов Шоттки в ТТЛШ.

Схемы каскадов в логических элементах могут быть различными в зависимости от требуемых свойств и сферы предполагаемого применения. Свойства некоторых серий микросхем ТТЛ и ТТЛШ, также их аналоги приведены в таблице.

КМОП, N-МОП и P-МОП

Напряжение питания у элементов, построенных на полевых транзисторах, составляет от 3В до 15В. Причём многие серии логических микросхем могут стабильно работать в широких пределах питающего напряжения, чем выгодно отличаются от ТТЛ. Напряжение низкого уровня, логического ноля от 0 до 0,3В, высокого – 2,5 и 5В. Ток потребления микросхем 0,1. 100 мкА, для компонентов большой степени интеграции до нескольких единиц и десятков миллиампер. Однако его значение в большой степени зависит от частоты и сопротивления нагрузки выходных каскадов.

У микросхем серий К561 и К564 замыкание выходного инверсного каскада на корпус может вывести их из строя. Однако основным недостатком чипов этой серии является их уязвимость к статическому электричеству. Для борьбы с этим явлением используют входные каскады с двойной и более степенями защиты. Однако при ничтожных размерах кристалла, на котором выполнен чип, такая защита становится малоэффективна.

Разница между структурами N-МОП, P-МОП и КМОП в структурах полевых транзисторов, последний тип логики содержит элементы как с n-каналом, так и с p-каналом. Технология изготовления чипов с однотипным каналом дешевле и менее времязатратная, однако это достигается в ущерб быстродействию и помехоустойчивости.

Также высокое входное сопротивление элементов требует дополнительных мер помехоустойчивости. Влияние паразитных связей, вызванных электромагнитными помехами или связями между дорожками монтажа, может быть критическим. Данная проблема у некачественных производителей техники решается просто – покрытием схемы лаком. Однако, элементарное попадание влаги через трещины в нанесённом на проводники схемы защитном слое, вводит технику в неработоспособнось.

Заключение

Казалось бы, зачем так усложнять технику, если есть логика, потребляющая крохи. Однако вопрос становится сразу понятным, когда приходится эксплуатировать устройство в среде с повышенной влажностью. Высокоомная техника в таких условиях сразу блокируется, а логика ТТЛ продолжает работать, как ни в чём не бывало.

Персональные компьютеры (ПК) в отличие от ноутбуков изначально предполагалось разграничить по принципу типа логики. ПК рассчитывались использовать в более влажных условиях, чем ноутбуки и планшеты, имеющие уклон компактности. Однако многие производители компонентов к стационарным компьютерам под видом характеристик энергосбережения используют высокоомную логику в ущерб качества долговечности.

На данное время есть бескулерные процессоры и видеокарты, которые явно выглядят престижнее, не уступая по производительности агрегатам, потребляющим сотни ватт. Достоинство последних можно оценить лишь в процессе длительной эксплуатации. Не зря в блоках питания ПК есть отдельная шина +5В с высоким уровнем стабилизации по стандарту. Она специально рассчитывалась изначально для логики ТТЛ и ТТЛШ. Также многие адаптеры питания в стационарной аппаратуре имеют 5-вольовую шину. Вот почему некоторые производители качественной техники всё же применяют неэкономичную и капризную в питании ТТЛ.

Ну сначала скажем так: микросхемы делятся на два больших вида: аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы работают с аналоговым сигналом, а цифровые, соответственно – с цифровым. Мы будем говорить именно о цифровых микросхемах.

Что это за элементы?

Некоторые названия вы слышали, некоторые, может быть – нет. Но поверьте, эти названия можно произносить вслух в любом культурном обществе – это абсолютно приличные слова. Итак, примерный список того, что мы будем изучать:

Триггеры
Счетчики
Шифраторы
Дешифраторы
Мультиплексоры
Компараторы

Все цифровые микросхемы работают с цифровыми сигналами. Что это такое?

Цифровые сигналы – это сигналы, имеющие два стабильных уровня – уровень логического нуля и уровень логической единицы. У микросхем, выполненных по различным технологиям, логические уровни могут отличаться друг от друга.

В настоящее время наиболее широко распространены две технологии: ТТЛ и КМОП.

ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика;
КМОП – Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник.

У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 В, уровень единицы – 2,4 В.
У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания.

По-всякому, единица – когда напряжение высокое, ноль – когда низкое.

Кроме различий в уровнях сигнала, типы логики различаются также по энергопотреблению, по скорости (предельной частоте), нагрузочной способности, и т.д.

Тип логики можно узнать по названию микросхемы. Точнее – по первым буквам названия, которые указывают, к какой серии принадлежит микросхема. Внутри любой серии могут быть микросхемы, произведенные только по какой-то одной технологии. Чтобы вам было легче ориентироваться - вот небольшая сводная таблица:

где U П - напряжение, при котором происходит переключение схемы

и U ВЫХ = 0,5(U 1 - U 0). U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n начинает открываться, U ЗИР = U ВХ -Е П U Пп , и VТ n открыт; 0,5Е П U ВХ > U П ; U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n открыт; U ЗИР = U ВХ -Е П |U ЗИР |, и поэтому VТ n находится в насыщении, a VТ p – в активном режиме.

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ p .

Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТ n . Так как VТ n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом U BX оно все более и более уменьшается.

Участок IV: Е п > U вх > Е п - ½U Пр ½; U зип = U вх > U Пп и V n открыт; U зир = U вх -Е п >U зип и VТ p закрыт.

Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10 12 ¸10 13 Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.

Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТ n или VТ p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10 2 ¸10 3 Ом.

Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.

Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.

Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.

Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.

В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10 -6 -10 -7 А).

В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда U ЗИП и ½U ЗИР ½> U ПОР и оба транзистора VТ n и VТ p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.

При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEf П где f П – частота переключения схемы.

К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U 1 вх.мин для КМОП схем было бы больше E П - |U ПР | длянадежного запирания VТ p . Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к E П .

Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.

На рис. 4.19 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 4.20) .

В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.

Рис. 4.19. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП

Рис. 4.20. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП

Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 4.21) .

Рис. 4.21. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества

Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.

Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:

Е П =3¸15В; U 0 =0,01В (при Е П =5В и I н =0); U 1 =4,99В (при Е П =5В и I н =0); I 0 вх =0,2мкА; I 1 вх =0,2мкА; I П =0,17мА (при Е П =10В, F =100кГц и С н =50пФ); t з =80нс; I 0 вых =0,9мА (при U 0 вых =0,5В и Е П =10В); I 1 вых =0,9мА (при U 1 вых =Е П -0,5В и Е П =10В); С н = 200пФ; С вх =12пФ.

Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).

CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor ) - технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ , ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП , P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

Подавляющее большинство современных логических микросхем , в том числе, процессоров , используют схемотехнику КМОП.

История

Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам . Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий . Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний .

Технология

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

Перепады напряжения – это быстрые изменения напряжения между двумя уровнями. Перепад называют положительным, если напряжение изменяется от низкого уровня к высокому, и отрицательным, если напряжение изменяется от высокого уровня к низкому. Перепад напряжения, у которого длительность равна нулю, называется скачком напряжения.

При подаче на вход ИМС реального цифрового сигнала, обладающего конечной длительностью фронта и среза (верхний график), выходной сигнал (на нижнем графике инвертирован) сдвинут в сторону запаздывания. Степень запаздывания принято оценивать как полусумму задержек фронта и среза, отсчитываемых на уровне половины размаха сигнала:

где t 0,1 _ЗД, t 1,0 _ЗД – времена задержки распространения сигнала при переходах U 0 / U 1 и U 1 / U 0 , соответственно.

В справочниках указывается наибольшее время задержки распространения от информационного входа до выхода ИМС.

Помехоустойчивость. Определяет наибольшее значение напряжения помехи на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменения уровней ее выходного напряжения и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой. В зависимости от длительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость.

Если на входе действует низкое напряжение U 0 , то опасны помехи, имеющие положительную полярность, так как они повышают входное напряжение. При этом рабочая точка на передаточной характеристике может сместиться в область переключения, что приведет к сбою в работе. Максимально допустимое постоянное напряжение положительной помехи можно определить по передаточной характеристике как U 0 _ПОМ = U 0 _ПОР – U 0 .

Рисунок 20 Уровни логических сигналов на входе ТТЛ микросхем

Рисунок 21 Уровни логических сигналов на входе КМОП микросхем

Если на входе действует высокое напряжение U 1 , то опасна помеха отрицательной полярности, понижающая уровень входного напряжения. Максимальное значение помехи по высокому уровню U 1 _ПОМ = U 1 – U 1 _ПОР.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхемы от помех.

Динамическая помехоустойчивость выше статической, так как при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхемах.

Уровни напряжений, соответствующие логическим 0 и 1. Напряжения логических нуля и единицы приводятся для случая предельной нагрузки на ИМС (при работе с максимальным коэффициентом разветвления).

U 0 – напряжение логического нуля (для входа U 0 _вх и выхода U 0 _вых)

U 1 – напряжение логической единицы (для входа U 1 _вх и выхода U 1 _вых).

Таблица 2 Уровни напряжений ИМС ТТЛ

В таблице 2 приведены допустимые входные и выходные уровни напряжений для ИМС серий ТТЛ.

Для ИМС серий КМОП допустимые значения: U 1 _вхmin = 0.7 U_пит; U 0 _вхmax = 0,3 U_пит.

Нагрузочная способность (величины входных и выходных токов для уровней логического 0 и 1) ИМС серий ТТЛ приведена в таблице 3.

I 0 _вх – входной ток уровня логического нуля (вытекает из элемента),

I 1 _вх – входной ток уровня логической единицы (втекает в элемент),

I 0 _вых – выходной ток уровня логического нуля (втекает в элемент),

I 1 _вых – выходной ток уровня логической единицы (вытекает из элемента).

Токи I 0 _вых и I 1 _вых в таблице имеют те значения, при которых ТУ гарантируются значения логических уровней U 0 _вых. Превышение выходных токов допустимых значений приводит к изменению U 0 _вых ,U 1 _вых, что в целом снижается помехоустойчивость ИС.

Таблица 3 Значения токов ИМС ТТЛ

В ИМС серий КМОП токи и могут отличаться в десятки раз из-за сильного различия каналов транзисторов выходного каскада. Для микросхем общего назначения выходные токи I 0 _вых и I 1 _вых не превышают 1 мА. Лишь инверторы с повышенной нагрузочной способностью имеют величину выходных токов несколько мА. Например, ИС 564ЛН2 имеет I 0 _вых = 1,25 мА и I 1 _вых = 8 мА.

Таблица 4 Нагрузочная способность выходов ИМС серий ТТЛ

Нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу К_РАЗ определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. В таблице 4 приведены числа входов, которые допустимо подключать к выходам ИМС различных серий.

Все серии ИС содержат, кроме элементов со стандартным выходом, элементы с повышенной нагрузочной способностью (буферы). В таблице 4.2 первое число указывает нагрузочную способность для элемента со стандартным выходом, а второе – для буфера.

Напряжение источника питания. При серийном выпуске микросхем стала необходимой стандартизация напряжения питания. Так, для большинства серий ТТЛ, стандартным напряжением питания является 5 В ± 5%. Для серий КМОП напряжение питания может изменятся в широких пределах. Диапазон изменения для разных серий - 3…18 В

Потребляемая мощность от источника питания Р_потр (потребляемый ток). Мощность, потребляемая элементом от источника питания, в каждом состоянии различна. В связи с этим измеряют статическую среднюю мощность: P_СР = 0,5(P 0 + P 1 ), где Р 0 – мощность потребляемая элементом в состоянии 0, Р 1 – мощность в состоянии 1, и динамическую мощность Р_Д (на существенно зависит от частоты входного сигнала), определяемую на предельной рабочей частоте.

Для логических ИМС величина потребляемой мощности в справочниках приводится на один элемент.

Температурная стабильность. В ИМС КМОП колебания температуры в диапазоне от – 55 0 до + 125 0 С слабо влияют на передаточные характеристики. В подобных же условиях пороговое напряжение биполярных приборов может измениться на 40%. Однако, с точки зрения надежности следует ограничивать верхний диапазон температуры + 65 0 С.

2.2 Сравнительные характеристики ИМС серий ТТЛ и КМОП

Достоинства КМОП ИМС:

В статическом режиме практически не потребляют мощности.

Имеют очень большое входное (МОм) и очень малое выходное (10-ки Ом) сопротивление.

Имеют высокую помехоустойчивость: 40¸45 % от U_ИП.

Перепад напряжения на выходе почти равен U_ИП.

Возможность использования различных напряжений U_ИП (от 3 до 10¸15 В).

КМОП-логика допускает высокую плотность размещения элементов, поэтому этот тип логики получил распространение в схемах СБИС (сверх большие ИС).

Затвор МОП-транзистора и подложка, разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор небольшой емкости (около 5 пФ) и огромным сопротивлением утечки (~10 12 Ом), что приводит к накапливанию статического заряда. При толщине диэлектрика 70¸100 нм его электрическая прочность не превышает 150¸200 В. (на теле человека может накапливаться статический заряд в несколько киловольт).

Достоинства ТТЛ ИМС:

Большая потребляемая мощность в статическом режиме

2.3 Особенности применения цифровых ИМС

ИМС часто содержат в одном корпусе несколько логических элементов: четыре ЛЭ типа 2И или 2И-НЕ, три ЛЭ типа 3И или 3И-НЕ и т. д. При практической реализации принципиальной схемы возникают ситуации, когда не все входы бывают задействованы.

Незадействованные входы одного логического элемента используют следующим образом:

– объединяют с другими входами ЛЭ, учитывая, что при этом возрастает нагрузка на источник сигнала и увеличивается входная емкость;

– если на неиспользованном входе должен быть уровень лог. 0, то данный вход можно просто заземлить.

- если на неиспользованном входе должен быть уровень логической 1, то этот вход можно подключить к выходу другого ЛЭ, на котором постоянно установлен высокий уровень 2,4-3,6 В, либо через резистор 1-10 кОм. При этом можно подключить к источнику питания до 20 неиспользуемых входов. Для ТТЛ ИМС неиспользуемый вход можно оставить свободным (на нем автоматически устанавливается логическая 1), однако при этом снижается помехоустойчивость ЛЭ, поскольку на него наводятся сигналы помех. В КМОП ИМС ни в коем случае не должно быть не подключенных входов. Их можно подключать к источнику питания без резистора или объединять с рабочими.

Неиспользованные ЛЭ рекомендуется включать так, чтобы их выходы имели высокий потенциал, для чего на входы элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ подают уровень лог. 0 (заземляют). При этом уменьшается рассеиваемая мощность, а сами выходы можно использовать в качестве лог. 1 для входов других ЛЭ.

Большое внимание следует уделить фильтрации питания по низкой и высокой частоте. Рекомендуется у каждой ИMC ставить высокочастотный керамический конденсатор 0,01-0,1 мкФ, а на шину питания электролитический конденсатор емкостью в нескольких десятков мкФ.

Особый интерес представляет случай, когда на входы элемента не подключены источники сигнала, а один из входов соединен с общим проводом через резистор, как показано на рисунке 22. Если сопротивление этого резистора равно 0, то это равноценно подаче на вход уровня логического 0. При сопротивлении этого резистора стремящегося к бесконечности на входе элемента уровень 1, так как бесконечное сопротивление – это фактически разрыв в цепи и вход никуда не подключен.

Через резистор R протекает ток входной цепи, и создается на нем падение напряжения, которое действует на вход аналогично выходному от другой ИМС микросхемы. Если задано напряжение U_вх, то можно определить максимально допустимое значение Rд.

Рисунок 22 Резистор на входе ТТЛ ИМС

Как показывают расчеты и практика, уровень логической 1 на выходе элемента поддерживается при сопротивлении резистора на входе больше 1,5 кОм. По этой причине, когда ко входу элемента подключен резистор, как, например, в схемах генератора и одновибратора, рассмотренных далее, сопротивление резистора не должно превышать это значение 1,5 кОм.

Нельзя применять емкость нагрузки С_н > 5000 пФ для буферных и высоковольтных оконечных элементов, потому что такой незаряженный конденсатор равноценен короткому замыканию.

Устойчивость переключения синхронных устройств зависит от длительности фронтов нарастания и спада тактового импульса, которые должны быть меньше 5 – 15 мкс. При затянутых фронтах КМОП инвертор долгое время находится в активном режиме, через него течет сквозной ток, отчего структура может перегреться и разрушиться.

В общем случае объединение выходов микросхем запрещено (исключение составляют выходы с открытым коллектором и высокоомным состоянием).

Во-первых, это создает логическую неопределенность, т. к. в точке соединения выхода, формирующего логическую единицу, и выхода, формирующего логический нуль, не будет нормального результата.

Во-вторых, при соединении выходов, находящихся в различных логических состояниях, возникло бы их "противоборство". Вследствие малых величин выходных сопротивлений уравнительный ток при этом может достигать достаточно большой величины, что может вывести из строя электрические элементы выходной цепи. Иллюстрация этой ситуации приведена на рисунке 23. Здесь объединены выходы микросхемы D1 с логической 1 на выходе и микросхемы D2 с логическим 0 на выходе. Ключи К1-К4 — эквивалентны выходным транзисторам. Из рисунка видно, что в этом случае существует путь для тока (показан стрелками) от источника питания на корпус через два открытых транзистора К1 и К4.

2.4 Соединение ИМС различных серий между собой

Микросхемы серий ТТЛ непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, однако следует учитывать особенности каждой серии. Микросхемы с повышенным высоким быстродействием имеют малое входное и выходное сопротивление и в моменты переключений создают кратковременные броски тока в цепи питания, которые проявляются в виде помех. При сопряжении быстродействующих ИMC с микросхемами среднего быстродействия (К155, 133, К555, 533) следует учитывать, что последние более восприимчивы к помехам, поскольку имеют более высокие входные и выходные сопротивления. Маломощные ИМС с диодами Шоттки особенно чувствительны к наводкам, и их следует отделять от быстродействующих схем. Здесь целесообразно применять раздельное питание и заземление, следует отделять сигнальные шины маломощных ИMC от выходных линий быстродействующих.

Микросхемы серий КМОП также непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, однако следует учитывать особенности каждой серии.

При проектировании систем логического управления часто возникает необходимость в совместном использовании ИМС различных типов (КМОП и ТТЛ), при этом приходится обеспечивать электрическое и временное согласование различных микросхем. Такое согласование необходимо, как при использовании микросхем одного типа, но с различными напряжениями питания и различными логическими уровнями, так и сопряжении ИМС различных типов с различными уровнями логических сигналов.

Сопряжение ТТЛ-КМОП. При одинаковом напряжении питания (5В) всё равно требуется согласование по уровню, т.к. допустимое выходное напряжение ТТЛ элемента на выходе 2В, а минимальное необходимое входное напряжение КМОП при питании 5В равно 3,5В. Для согласования можно подключать резисторы утечки между питанием и входом КМОП (1 – 10 кОм), или применить преобразователь уровня.

При напряжении питания КМОП больше, чем ТТЛ, применяют ТТЛ элемент с открытым коллектором, подавая на него питание КМОП, или применяют преобразователь уровня преобразователь уровня.

Сопряжение КМОП-ТТЛ . Большинство КМОП – схем имеют малые выходные токи и их выходы не могут быть нагружены даже на 1 ТТЛ вход и поэтому требуется согласование по току. Для согласования по току можно использовать КМОП ИС с открытым стоком. Например, К564ЛА10 обеспечивает I 0 вх. = 16 мА, достаточный для подключения до 10 входов ТТЛ. Для решения задачи согласования, серийно выпускают специальные микросхемы (ПУ – преобразователи уровней). Например, К176ПУ2, К176ПУ3

Если напряжение питания КМОП больше, чем ТТЛ, то для согласования по уровню напряжения применяются микросхемы КМОП К176ПУ1; К561ПУ4; К564ПУ6, содержащих от четырех до шести каналов (с инверсией или без инверсии). Большинство этих ИМС преобразует уровни от КМОП к ТТЛ.

Раздел: Радиоэлектроника
Количество знаков с пробелами: 15174
Количество таблиц: 2
Количество изображений: 6

Читайте также: