Принципиальное отличие КМОП-схем от nМОП-технологии заключается в отсутствии в схеме активных сопротивлений. К каждому входу схемы подключена пара транзисторов с различным типом канала. Транзисторы с каналом p-типа подключены подложкой к источнику питания, поэтому образование канала в них будет происходить при достаточной большой разности потенциалов между подложкой и затвором, причем потенциал на затворе должен быть отрицательным относительно подложки. Такое состояние обеспечивается подачей на затвор потенциала земли (т.е. логического 0 ). Транзисторы с каналом n-типа подключены подложкой к земле, поэтому образование канала в них будет происходить при подаче на затвор потенциала источника питания (т.е. логической 1 ). Одновременная подача на такие пары транзисторов с разным типом каналов логического нуля или логической единицы приводит к тому, что один транзистор пары обязательно будет открыт, а другой закрыт. Таким образом, создаются условия к подключению выхода либо к источнику п итания, либо к земле.
Так, в простейшем случае, для схемы инвертора (рис. 16.10) при А=0 транзистора VT1 будет открыт, а VT2 закрыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал VT1 к источнику питания, что соответствует состоянию логической единицы: F=1 . При А=1 транзистор VT1 будет закрыт (на затворе и подложке одинаковые потенциалы), а VT2 открыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал транзистора VT2 к земле. Это соответствует состоянию логического нуля: F=0 .
Логическое сложение (рис. 16.11) осуществляется за счет последовательного соединения p-каналов транзисторов VT1 и VT2. При подаче хотя бы одной единицы единого канала у данных транзисторов не образуется. В то же время благодаря параллельному соединению VT3 и VT4 осуществляется открытие соответствующего транзистора в нижней части схемы, обеспечивающее подключение выхода F к земле. Получается F=0 при подаче хотя бы одной логической 1 – это правило ИЛИ-НЕ.
Функция И-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения VT1 и VT2 в верхней части схемы и последовательного соединения VT3 и VT4 в нижней части (рис. 16.12). При подаче хотя бы на один вход нуля единый канал на VT3 и VT4 не образуется, выход будет отключен от земли. В то же время хотя бы один транзистор в верхней части схемы (на затвор которого подан логический ноль) будет обеспечивать подключение выхода F к источнику питания: F=1 при подаче хотя одного нуля – правило И-НЕ.
В зависимости от элементной базы, различают различные технологии производства ИМС. Основными являются ТТЛ на биполярных транзисторах и nМОП и КМОП на полевых транзисторах .
nМОП-технология полевых транзисторов с индуцированным каналом n-типа.
Буфер на 3 состояния – выходная часть схемы ТТЛ, обеспечивающая возможность перехода в третье, высокоимпедансное состояние.
КМОП-технология - технология производства ИМС на базе полевых транзисторов с каналами обоих типов электропроводности.
Открытый коллектор – вариант реализации буферной части элементов ТТЛ без резистора в цепи нагрузки, который выносится за пределы схемы.
Схемы с активной нагрузкой – схемы ТТЛ, в которых состояние буферной цепи определяется состоянием не одного, а двух транзисторов.
Транзисторно-транзисторная логика – технология производства ИМС на базе биполярных транзисторов.
КМОП – комплементарный, металл, оксид, полупроводник
Упражнения к лекции 16
Упражнение 1
Вариант 1 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.
Вариант 2 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по nМОП-технологии.
Вариант 3 к упражнению 1 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.
Упражнение 2
Вариант 1 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.
Вариант 2 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по КМОП-технологии.
Вариант 3 к упражнению 2 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.
Упражнение 3
Вариант 1 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.
Вариант 2 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по ТТЛ-технологии.
Вариант 3 к упражнению 3 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.
Упражнение 4
Вариант 1 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.
Вариант 2 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по nМОП-технологии.
Вариант 3 к упражнению 4 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.
Упражнение 5
Вариант 1 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.
Вариант 2 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по КМОП-технологии.
Вариант 3 к упражнению 5 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.
Упражнение 6
Вариант 1 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.
Вариант 2 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по ТТЛ-технологии.
Вариант 3 к упражнению 6 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.
Упражнение 7
Вариант 1 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.
Вариант 2 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.
Вариант 3 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.
Упражнение 8
Вариант 1 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ с буфером на 3 состояния.
Вариант 2 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ с открытым коллектором.
Вариант 3 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ с буфером на 3 состояния.
Комплементарная МОП логика (КМОП - КМДП -CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) сегодня является основной в производстве больших интегральных схем микропроцессорных комплектов, микроконтроллеров, СБИС персональных компьютеров, ИС памяти. Кроме ИС высокой интеграции для создания электронного обрамления БИС и несложных электронных схем выпущено несколько поколений КМОП серий малой и средней интеграции. В основе лежит рассмотренный ранее инвертор (рис 2.9) на комплементарных (взаимодополняющих) МОП транзисторах с индуцированным каналом разной проводимости p и n типа, выполненных на общей подложке (входные охранные цепочки не показаны).
Рис 3.8. Двухвходовые КМОП логические элементы а) И-НЕ, б) ИЛИ-НЕ
Как и в случае простого инвертора, особенностью ЛЭ является наличие двух ярусов транзисторов относительно выходного вывода. Логическая функция, выполняемая всей схемой, определяется транзисторами нижнего яруса. Для реализации И-НЕ в положительной логике транзисторы с n-каналом включаются последовательно друг с другом, с p-каналом – параллельно, а для реализации ИЛИ-НЕ – наоборот (Рис 3.8).
Микросхемы КМОП-структуры близки к идеальным ключам: в статическом режиме они практически не потребляют мощности, имеют большое входное и малое входное сопротивления, высокую помехозащищенность, большую нагрузочную способность, хорошую температурную стабильность, устойчиво работают в широком диапазоне питающих напряжений (от +3 до +15 В). Выходной сигнал практически равен напряжению источника питания. При Еп=+5В обеспечивается совместимость логических уровней со стандартной ТТЛ/ТТЛШ-логикой. Пороговое напряжение при любом напряжении питания равно половине напряжения питания U пор = 0,5 Еп, что обеспечивает высокую помехоустойчивость.
Логические элементы с большим числом входов организованы подобным же образом. В номенклатуре микросхем КМОП есть ЛЭ И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, с количеством входов до 8. Увеличить число входных переменных можно с помощью дополнительных логических элементов, принадлежащих к той же серии ИС.
Отечественная промышленность выпускает несколько универсальных КМОП серий: К164, К176, К561, К564, К1561, К1564.
К176 – стандартная КМОП t з =200 нс, I пот £100 мкА
К564, К561, К1561 – усовершенствованная КМОП t з =15 нс (15 В), I пот =1-100 мкА
К1564 – высокоскоростная КМОП (функциональный аналог серии 54HC) t з =9-15 нс, Uпит=2-6 В, I пот £10 мкА
Основные технические характеристики ИС серии К564 (К561) приведены ниже:
Напряжение питания U п, В …………………………..3-15
Мощность потребления
В статическом режиме, мкВт/корпус …………0,1
При f=1 МГц, U п =10 В, С н =50 пф, мвт ……….20
Допустимая мощность рассеивания. Мвт/корпус …..500
Входное напряжение, В ……………….от -0,5В до U п + 0,5В
Низкого уровня ………………………… не более 0,05В,
Высокого уровня …………………не менее U п + 0,5В
Средняя задержка распространения сигнала при С н =15 нф
Для U п =+5 В, нс ………………………………50
Для U п =+10 В, нс ……………………………..20,
Рабочая температура, 0 С
Серия 564 ………………………..от -60 до +125
Серия К561 ……………………….от -40 до +85
Если развитие ТТЛ-серий, главным образом, шло в сторону уменьшения энергопотребления, то КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями.
Сокращение КМОП означает «комплементарный
МОП-транзистор». Также иногда используется сокращение COSMOS,
которое обозначает «комплементарная симметричная
МОП-структура». Логические элементы этого подсемейства строятся
как на «-канальных МОП-полевых транзисторах, так и на
/^-канальных МОП-полевых транзисторах. Схемы этого подсемейства
характеризуются ярко выраженной симметрией. При разработке схем
применяют только самозапирающиеся МОП-транзисторы (см. Бойт,
Электроника, ч. 2, разд. 8.2, МОП-полевые транзисторы).
Симметричность схем видна особенно хорошо в схеме элемента НЕ (рис.
6.91). Если на входе А действует Я-уровень, например +5 В, то
транзистор Т2 отпирается. На его истоке и подложке 0 В. Напряжение
затвор-исток UGS составляет +5 В. К истоку и подложке транзистора Тх
приложены +5 В.
Если к управляющему электроду также прикладываются +5 В, то
напряжение затвор-исток UGS = О В. Транзистор Тх заперт. Если Тх
заперт, а Т2 открыт, то выход элемента Z имеет уровень L (рис. 6.92).
Если на входе А действует i-уровень О В, то транзистор Т2 запирается и
напряжение затвор-исток UGS составляет О В. Напряжение затвор-исток
транзистора Ту UGS = —5 В, так как напряжение истока +5 В, а
затвора О В. Транзистор отпирается. Если Тх открыт, а Т2 заперт, выход
элемента Z имеет уровень Н.
В КМОП-НЕ-элементе всегда один транзистор открыт, а другой заперт.
Если на выходе элемента НЕ действует уровень 0, то элемент практически
не потребляет ток, так как Тх заперт. Если на выходе элемента НЕ
действует уровень Н, то элемент также практически не потребляет ток,
так как теперь Т2 заперт. Для управления последовательно включенными
элементами также не требуется ток, так как полевые транзисторы
практически не потребляют мощность. Только во время переключения от
источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора
одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из
открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой
— из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны
перезарядиться транзисторные емкости.
Все КМОП-элементы устроены так, что в токовой ветви один транзистор
закрыт, а другой открыт. Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко.
Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты
переключения.
КМОП-элементы отличаются малым энергопотреблением.
На рис. 6.93 изображена следующая типичная КМОП-схема. Если на обоих
входах действует уровень L, то транзисторы 7’ и Т2 будут открыты,
транзисторы Тг и Т4 заперты. Ту и Т2 при О В на А и В имеют UGS =
— 5 В, а Т3 и Т4 имеют UGS = О В. На выходе Z действует уровень Н.
Если на входе А действует уровень Н(+5 В), а на входе 5-уровень L (О
В), то Ту закрывается, а Т2 открывается. Путь от источника питания к
выходу Z блокирован запертым транзистором.
Одновременно отпирается транзистор Т3 и на выходе Z действует
примерно О В, то есть уровень L. Г4 заперт. Z всегда имеет уровень Z,
если по крайней мере на одном входе действует уровень Н.
Соответствующая схеме (рис. 6.93) рабочая таблица представлена на рис.
6.94. Схема производит при положительной логике операцию ИЛИ-НЕ.
Какую логическую операцию производит схема на рис. 6.95? Прежде всего
для схемы должна быть составлена рабочая таблица. Если на обоих входах
действуют Z-уровни (О В), то транзисторы Т{ и Т2 открываются (UGS =
— 5 В). Транзисторы Т3 и Г4 закрываются (UGS = О В). На выходе
Л-уровень.
Если на обоих входах действуют #-уровни (+5 В), то транзисторы Тъ и Т4
открываются, а транзисторы Тх и Т2 закрываются. На выходе Z будет
действовать Z-уровень.
Если на один вход приложен Я-уровень, а на другой — Z-уровень, то
один из верхних транзисторов на рис. 6.95 (7^ или Т2) открывается. Один
из нижних (Т3 или Г4) запирается. Через открытые транзисторы к выходу
будет прикладываться if-уровень. На рис. 6.96 представлена
соответствующая таблица истинности. Схема выполняет при положительной
логике функцию И-НЕ.
КМОП-элементы производятся в основном в виде элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Особым элементом подсемейства КМОП является передаточный элемент. Он
состоит из параллельного включенных и-канального МОП-транзистора и
^-канального МОП-транзистора (рис. 6.97).
Передаточный элемент работает как переключатель.
Если к Gx будет приложен уровень Н (например +5 В) и к G2 —
уровень L (О В), то оба транзистора запираются. В /ьканальном
МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено
напряжение О В. Образование проводящего канала между истоком и стоком
становится невозможным. Также и в я-канальном МОП-транзисторе между
управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Здесь
также не может возникнуть проводящий канал. Сопротивление между точками
А и Zдостигает нескольких сотен МОм.
Если на <7, действует уровень L (О В), а на G2 — уровень Н (+5
В), то напряжение затвора /^-канального МОП-транзистора относительно
подложки будет —5 В. Напряжение затвора и-канального
МОП-транзистора относительно подложки +5 В. При этих напряжениях
образуются проводящие каналы между истоком и стоком. Канал между А и Z
будет низкоомным (примерно от 200 Ом до 400 Ом). Рабочая таблица
представлена на рис. 6.98.
Уровни на входах Gl и G2 всегда прикладываются в противофазе.
Управление может происходить с помощью элемента НЕ (рис. 6.99).
Получается двунаправленный ключ. У полевых транзисторов передаточного
элемента исток и сток могут взаимно менять свои функции. Поэтому вывод
затвора обозначается в середине его условной линии (рис. 6.99).
Интегрированные КМОП-микросхемы всегда содержат множество логических
элементов, которые могут быть использованы по отдельности или как
единая сложная логическая функция. На рис. 6.100 показана структура
схемы CD 4000 А. Эта схема содержит два элемента ИЛИ-HE с тремя входами
каждый и элемент НЕ. Схема CD 4012 А (рис. 6.101) содержит два элемента
И-НЕ с четырьмя входами каждый.
Интегральные схемы арифметических логических устройств содержат очень
много КМОП-элементов. На рис. 6.102 приведена схема 4-битного
сдвигающего регистра. Эта схема рассмотрена подробно в гл. 8.
Рис. 6.102. Схема КМОП-4-битного сдвигового регистра CD 4015 A (RCA)
Микросхема CD 4008 А является 4-битным полным сумматором. Полные
сумматоры рассматриваются подробно в гл. 10. Схема приведена здесь как
пример КМОП-схемотехники (рис. 6.103).
Интегральные микросхемы в КМОП-исполнении могут производиться с очень большой плотностью элементов,
Можно схему целого калькулятора уместить в одной микросхеме. Дальнейшее
совершенствование технологий ведет к повышению возможной плотности
компоновки.
Напряжение питания КМОП-элементов может колебаться в широком диапазоне.
Для серии CD-4000-A (рис. 6.100—6.103) фирма-производитель RCA
указывает диапазон напряжений питания от 3 В до 15 В. Типичные
передаточные характеристики при ряде напряжений питания показаны на
рис. 6.104.
Часто используются напряжения питания +5 В и +10 В. Для этих напряжений
питания на рис. 6.105 и 6.106 показаны диаграммы уровней. Для больших
напряжений питания характерна лучшая помехоустойчивость.
Разность между уровнями L и Н, отвечающая за помехоустойчивость, для
КМОП-схем составляет примерно от 30% до 40% напряжения питания.
В следующей таблице приведены важнейшие параметры КМОП-эле-ментов:
Рис. 6.103. Схема КМОП-4-битного полного сумматора CD 4008 A (RCA)
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.
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 .
Схема 2И-НЕ
Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.
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).
Микросхемы на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-микросхемы) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП схему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток от источника питания через микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 1.
В результате этой особенности КМОП-микросхем, они обладают преимуществом перед рассмотренными ранее видами — потребляют ток в зависимости от поданной на вход тактовой частоты. Примерный график зависимости потребления тока КМОП-микросхемы в зависимости от частоты ее переключения приведен на рисунке 2
Схема логического элемента "И-НЕ" на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой "И" на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ " , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП), приведена на рисунке 3.
В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный , однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий — то закрываются.
В приведённой на рисунке 2 схеме логического КМОП-элемента "И", ток от источника питания на выход КМОП-микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП-элемента "И" будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП-микросхемой от источника питания потребляться не будет.
Условно-графическое изображение КМОП логического элемента "2И-НЕ" показано на рисунке 4, а таблица истинности приведена в таблице 1. В таблице 1 входы обозначены как x 1 и x 2, а выход — F .
Таблица 1. Таблица истинности КМОП-микросхемы, выполняющей "2И-НЕ"
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
В схеме КМОП логического элемента "2ИЛИ-НЕ" в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП-микросхемы не будет.
Таблица истинности логического элемента "2ИЛИ-НЕ" , реализуемая КМОП микросхемой, приведена в таблице 2, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 6.
Таблица 2. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
В настоящее время именно КМОП-микросхемы получили наибольшее развитие. Причём наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания данных микросхем. Первые серии КМОП-микросхем, такие как К1561 (иностранный аналог C4000В) обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (3..18В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается её предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные КМОП-микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания, например, SN74HC.
Первой и основной особенностью КМОП-микросхем является большое входное сопротивление этих микросхем. В результате на ее вход может наводиться любое напряжение, в том числе и равное половине напряжения питания, и храниться на нём достаточно долго. При подаче на вход КМОП-элемента половины питания открываются транзисторы как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада, в результате микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и может выйти из строя . Вывод: входы цифровых КМОП-микросхем ни в коем случае нельзя оставлять неподключенными!
Второй особенностью КМОП-микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании. Однако работают они чаще всего неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора приведена на рисунке 7.
Диоды VD1 и VD2 были введены для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством. В то же самое время при подаче на вход КМОП-микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадёт на шину питания микросхемы, и так как она потребляет достаточно малый ток, то КМОП микросхема начнёт работать. Однако в ряде случаев этого тока может не хватить для питания микросхем. В результате КМОП микросхема может работать неправильно. Вывод: при неправильной работе КМОП микросхемы тщательно проверьте питание микросхемы , особенно выводы корпуса. При плохо пропаянном выводе отрицательного питания его потенциал будет отличаться от потенциала общего провода схемы.
Четвёртая особенность КМОП-микросхем &mdash это протекание импульсного тока по цепи питания при ее переключении из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при переходе с ТТЛ микросхем на КМОП микрохемы-аналоги резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно, и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу или BICMOS микросхем.
Логические уровни КМОП-микросхем существенно отличаются от . При отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП-микросхемы совпадает с напряжением питания (логический уровень единицы) или с потенциалом общего провода (логический уровень нуля). При увеличении тока нагрузки напряжение логической единицы может уменьшается до 2,8В (U п =15В) от напряжения питания. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой КМОП микросхемы (серия микросхем К561) при пятивольтовом питании показан на рисунке 8.
Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Для КМОП-микросхем договорились о 30% запасе. Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП-микросхем при пятивольтовом питании приведены на рисунке 9.
При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы можно определить точно так же (разделить напряжение питания на 3).
Первые КМОП-микросхемы не имели защитных диодов на входе, поэтому их монтаж представлял значительные трудности. Это семейство микросхем серии К172. Следующее улучшенное семейство КМОП микросхем серии К176 получило эти защитные диоды. Оно достаточно распространено и в настоящее время. Серия К1561 завершает развитие первого поколения КМОП микросхем. В этом семействе было достигнуто быстродействие на уровне 90 нс и диапазон изменения напряжения питания 3 ... 15В. Так как в настоящее время распространена иностранная аппаратура, то приведу иностранный аналог этих КМОП микросхем — C4000В.
Дальнейшим развитием КМОП-микросхем стала серия SN74HC. Эти микросхемы отечественного аналога не имеют. Они обладают быстродействием 27 нс и могут работать в диапазоне напряжений 2 ... 6 В. Они совпадают по цоколёвке и функциональному ряду с , но не совместимы с ними по логическим уровням, поэтому одновременно были разработаны КМОП микросхемы серии SN74HCT (отечественный аналог — К1564), совместимые с ТТЛ микросхемами и по логическим уровням.
В это время наметился переход на трёхвольтовое питание. Для него были разработаны КМОП-микросхемы SN74ALVC с временем задержки сигнала 5,5 нс и диапазоном питания 1,65 ... 3,6 В. Эти же микросхемы способны работать и при 2,5 вольтовом питании. Время задержки сигнала при этом увеличивается до 9 нс.
Наиболее перспективным семейством КМОП-микросхем в настоящее время считается семейство SN74AUC с временем задержки сигнала 1,9 нс и диапазоном питания 0,8 ... 2,7 В.
