Элементы КМОП-логики

Сокращение КМОП означает «комплементарные МОП-транзисторы». Также иногда используется сокращение COSMOS, которое обозначает «комплементарная симметричная МОП-структура». Симметричность КМОП-схем хорошо видна в схеме инвepтopa нa кoмплeмeнтapнoй пape тpaнзиcтopoв (рисунок 2.11).

Oбa тpaнзиcтopa paбoтaют в ключeвoм peжимe, кoгдa вxoднoй и выxoднoй cигнaлы пpинимaют знaчeниия близкиe либo к Uп, либo к нyлю. Пpи Uвx=0 KMOП тpaнзиcтop c n-кaнaлoм зaкpыт, a вepxний c p-кaнaлoм, нaoбopoт oткpыт, пoэтoмy Uвыx=Uп. Ecли Uвx=Uп тo oткpыт тoлькo нижний тpaнзиcтop и Uвыx=0.

Рисунок 2.11 - Инвертор на КМОП транзисторах

В КМОП-элементе один из транзисторов всегда закрыт, и такой элемент практически не потребляет ток. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но ненадолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в закрытое, а другой, наоборот, из закрытого состояния переходит в открытое состояние.

Логические элементы, изготовленные по КМОП-технологии, потребляют значительно меньшую мощность, чем логические элементы на основе биполярных транзисторов как в статическом, так и в динамическом режимах. Потребление мощности КМОП-элементами обусловлено в основном перезарядом паразитных емкостей при переключении элемента из одного логического состояния в другое.

Поскольку входы схем являются изолированными затворами МОП-транзисторов, то входные токи очень малы. Поэтому коэффициент разветвления по выходу очень высок.

МОП-транзистор занимает на кристалле значительно меньшую площадь, чем биполярный. Современные технологии производства СБИС позволяют создавать МОП-транзисторы с длиной канала 0.06 мк.

Кроме того, КМОП - элементы имеют высокую помехозащищенность и являются высокотехнологичными, так как не содержат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды и т.п. Этим элементам свойственна высокая плотность размещения элементов на единицу площади кристалла.

Параметры логических элементов, реализуемых с помощью современных КМОП-технологий, превосходят параметры ТТЛ-элементов в сотни раз. Время задержки распространения современных КМОП-элементов составляет около 10 пс, а мощность, потребляемая инвертором – не более 10 мкВт.

К недостаткам КМОП - элементов можно отнести:

· сравнительно низкое быстродействие относительно TTL-элементов;

· низкая устойчивость к статическому электричеству, поэтому внутри элементов предусматриваются защитные диоды, изготавливаемые в едином технологическом цикле;

· паразитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают в кристалле как побочные переходы в КМОП структурах, размещаемых на одном кремниевом кристалле. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно оказываются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный эффект, искажающий передаточную характеристику элемента.

Цифровые КМОП микросхемы получили широкое применение в аппаратуре различного назначения. Их преимущества перед цифровыми микросхемами других технологий:

· широкий диапазон питающих напряжений (от 3 до 16 В или от 2 до 6 В), что дает возможность легко выбрать источник питания;

· малые токи потребления (обычно ток покоя определяется единицами микроампер), благодаря чему КМОП-микросхемы незаменимы в автономных устройствах;

· возможность работы не только с цифровыми, но и с аналоговыми сигналами (аналоговые коммутаторы и ключи).

В бывшем СССР и странах СНГ выпускались (и выпускаются в настоящее время) цифровые КМОП микросхемы серий 164, 176, 561, 564, 1561. Однако вся номенклатура цифровых КМОП микросхем выпускаемых на Западе, не была освоена. В частности не выпускались логические микросхемы с неинвертированным выходом, целый ряд коммутаторов, мультиплексоров, счетчиков и микросхем более сложного назначения.

С появлением на рынке импортных микросхем серий 40, 44, 45 появилась возможность разрабатывать аппаратуру используя все богатство функциональных узлов КМОП микросхем.

Обозначение этих микросхем содержит в себе ряд элементов. Например, CD4099DCN состоит из трех частей. Первые две буквы CD используют почти все фирмы-производители для обозначения КМОП цифровых микросхем. Исключением является только фирма MOTOROLA которая вместо CD ставит MC1. Эта 1 сливается с последующим номером и в результате получается, например не 40, а 140 серия. Следующая группа цифр – серийный № микросхемы. Последняя группа букв указывает тип корпуса. Почти все западные фирмы выпускают КМОП цифровые микросхемы в корпусах DIP и SOIС.

При использовании отечественных аналогов следует иметь ввиду, что параметры отечественных микросхем могут резко уступать как по максимально допустимому напряжению, так и по быстродействию.

Примечание. Выбирая элементную базу для реализации устройства:

· не обязательно использовать последние разработки в области интегральных микросхем;

· можно пользоваться любой справочной литературой содержащей цифровые интегральные микросхемы, имеющейся в наличии;

· использовать ИМС любого семейства позволяющие реализовать требования задания по курсовому проекту;

· при выборе ИМС необходимо избегать применения ИМС разных серий. Если это неизбежно, то лучше применять микросхемы с одинаковым напряжением питания и с учетом того, что они совместимы друг с другом.

· учитывать нагрузочную способность различных элементов.