КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Элементы на комплементарных МОП-транзисторах (КМОПТЛ)
Базовыми элементами серий ИС КМОПТЛ являются инвертор и двунаправленный ключ. Реальная схема инвертора отличается от схемы ключа на комплементарных МОП -транзисторах (рис. 10.12,а), рассмотренной в 10.4.2, лишь наличием защиты входов, являющихся внешними выводами ИС (рис. 1.19). Охранная схема содержит резистор R сопротивлением 0,5 . ...1,5 кОм и диоды Д1...ДЗ, которые шунтируют входное напряжение либо на шину источника питания + либо на общую шину. В нормальных условиях, когда входное напряжение не выходит за пределы-0,7В...( +0,7В), диоды закрыты. Если подаваемое на вход напряжение выходит за указанные пределы и внутреннее сопротивление источника сигнала мало, следует считаться с опасностью повреждения охранной цепи чрезмерным входным током. Ограничение тока обеспечивает резистор R. Верхний предел его сопротивления определяется допустимым ухудшением быстродействиям ключа из-за роста времени перезаряда входной емкости транзисторов и диодов Д2, ДЗ. В отличие от диодов, специально вводимых в схему для защиты от пробоя, имеются диоды Д4...Д6, которые являются сопутствующими, возникающими при изготовлении комплементарных транзисторов. Это видно из рис. 1.20, где показано поперечное сечение структуры инвертора. Сопутствующие диоды Д4, Д5 подключены к выходу инвертора. Они остаются закрытыми, если напряжение на выходе, так же как и на входе, находится в границах питающего напряжения. Диод Д6 отпирается при переполюсовке источника питания. Охранные цепи и сопутствующие диоды на принципиальных схемах обычно не изображают. Существует еще одна причина, по которой следует опасаться перегрузок и соблюдать определенные правила обращения с аппаратурой на КМОПТЛ ИС. Некоторые p-n -переходы могут образовать взаимодействующие биполярные транзисторы, как показано на рисунке 1.21. Здесь биполярный n-p-n-транзистор образует область n+-типа истока МОП-транзистора Т1, областью его кармана p-типа и общей подложкой n-типа. Происхождение p-n-p-транзистора аналогично. Оба паразитных транзистора включены так, что образуют структуру, подобную тиристору, включенному между шинами питания. Для ее активизации достаточно короткого импульса на любую базу. В результате происходит замыкание шины питания и общей шины, управление по входам прекращается, и из-за большой рассеиваемой мощности микросхема может выйти из строя. Единственный способ привести ее в нормальный режим - отключить питание. Сравнительно низкие объемные сопротивления подложки и кармана шунтируют эмиттерные переходы, благодаря чему для запуска такой системы требуется достаточно большой ток. При правильном обращении с аппаратурой такие токи не возникают и паразитный тиристор всегда заперт. Однако опасность его возбуждения существует. Для предотвращения нежелательных явлений напряжение питания следует всегда подавать раньше любых входных сигналов, особенно если их источники имеют малое выходное сопротивление. Выключение аппаратуры следует выполнять в обратном порядке. Логические элементы других типов строятся на основе базовых инверторов путем изменения топологии соединений их транзисторов на кристалле ИС. Так, для получения элемента ИЛИ-НЕ n-канальные транзисторы соединяются параллельно, а р-канальные последовательно (рис. 1.22,а), для элемента И-НЕ наоборот - n-канальные последовательно, а р-канальные параллельно (рис. 1.22,6). Образуется два яруса транзисторов относительно выходного вывода. Как и в отдельном инверторе, здесь при любой комбинации входных сигналов в установившемся режиме ток от источника питания практически отсутствует, так как один из ярусов всегда закрыт. Например, для ЛЭ ИЛИ-НЕ нижний ярус закрыт при наличии на всех входах сигналов логического нуля, а при других комбинациях закрыт верхний ярус. В логическом элементе И-НЕ состояния транзисторов противоположны. Ввиду малости остаточного напряжения на открытых транзисторах количество входов КМОПТЛ элементов на уровни и почти не влияет. Однако элементы с числом входов более четырех обычно не создают. При необходимости расширить число логических входов используют монтажную логику. На рис. 1.23,а показан пример получения многовходового элемента И-НЕ путем подключения к выходам трехвходовых ЛЭ И-НЕ диодной схемы ИЛИ. Схема реализует функцию: При использовании элементов ИЛИ-НЕ и диодной схемы И (рис. 1.23,б) расширяется число переменных для операции ИЛИ-НЕ: Двунаправленный ключ в сериях ИС КМОПТЛ выступает как второй базовый элемент. Он представляет собой специфический узел, не имеющий функциональных аналогов среди микросхем других видов логики. Назначение двунаправленного ключа (ДК) можно уподобить назначению реле. Изготавливаются ДК как в виде самостоятельных ИС, так и в составе ИС, имеющих другие функциональные назначения. Двунаправленный ключ без устройства управления (рис. 1.24) состоит из пары комплементарных МОП-транзисторов. Истоки и стоки у них соединены перекрестно и выведены наружу. Ключ управляется двумя взаимно инверсными сигналами и , которые подаются на затворы транзисторов. Оба транзистора открыты, когда на затворе n-канального транзистора T1 напряжение , а на затворе р-канального транзистора . Проводящие каналы обоих транзисторов имеют небольшое сопротивление (сотни Ом) и обладают двусторонней проводимостью между точками А и Б. Параллельное включение транзисторов уменьшает общее сопротивление и делает его почти не зависящим от коммутируемого напряжения. Это позволяет использовать ДК и для коммутации аналоговых сигналов (см. п. 8.2). Когда управляющие сигналы на затворах меняют свое значение, транзисторы запираются и сопротивление между точками А и Б возрастает (до 109 Ом). Управляющий сигнал Е обычно формируется с помощью инвертора. На рис. 1.25,а это транзисторы Т3 и Т4. Условное графическое обозначение ДК примем таким, как показано на рис. 1.25,6. В силу своей специфичности двунаправленные ключи обусловили и необычные схемотехнические решения цифровых устройств. Например, если в выходную цепь источника сигнала включить ДК, получится элемент с тремя статическими состояниями. При запертых транзисторах ДК элемент находится в состоянии высокого импеданса. В ряде случаев применение ДК позволяет существенно упростить цифровые устройства, в частности триггеры, счетчики, регистры. В заключение следует отметить, что микросхемы КМОПТЛ, как никакие другие, имеют статические параметры, близкие к идеальным: почти не потребляют мощности; имеют очень большое входное и малое (выходное сопротивления и, следовательно, высокую нагрузочную способность; отличаются высокой помехоустойчивостью, обусловленной тем, что логический перепад близок к Еи.п, а пороговый уровень-к, 0,5 Еи.п. Пороговый и логические уровни практически не зависят от температуры. К достоинствам необходимо отнести способность нормально работать в широком диапазоне питающих напряжений (3...15В), что позволяет упростить сопряжение с цифровыми ИС других типов (например ТТЛ) и с многими аналоговыми устройствами. Заметим, что с увеличением напряжения питания быстродействие растет. Обусловлено это пропорциональным ростом уровня U1при котором транзисторы открываются сильнее и сопротивление их проводящих каналов уменьшается. Основной недостаток микросхем КМОПТЛ-сравнительно невысокое быстродействие (tзд.ср. составляет десятки наносекунд). Во многих случаях, когда оно не играет решающей роли, этим микросхемам следует отдавать предпочтение. Сравнительно невысокое быстродействие не является принципиальным свойством КМОП-структур. Это временное явление, которое преодолевается по мере совершенствования технологии изготовления. В настоящее время промышленность выпускает ряд серий ИС КМОПТЛ: 164, К176, К561, 564, К188, К537, К572, К587 и др. Первые четыре серии содержат ИС в основном средней степени интеграции, остальные - большой.
|