Параметры и особенности микросхем КМОП (для серии 561)

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 34Следующая ⇒

Микросхемы технологии КМОП имеют ряд достоинств, не присущих другим технологиям и, во многих случаях, совершенно незаменимы. Многие из приведенных ниже свойств присущи всем сериям КМОП.

- Малая площадь, занимаемая элементом на кристалле, что позволяет создавать микросхемы с высокой степенью интеграции: микропроцессоры, микро-схемы памяти.

- Напряжение питания: U _пит = +3…+14 В. Большое достоинство микросхем КМОП – возможность изменять напряжение питания в широких пределах, используя различные источники питания.

- Логические уровни.

Выходные напряжения практически равны: нулю или напряжению питания: U_вых⁰ ≈ 0, U_вых¹ ≈ U_пит. Однако, в целях обеспечения помехоустойчивости, на входные сигналы накладываются ограничения:

U⁰_пор ≤ 30 % U_пит

U¹_пор ≥ 70 % U_пит

Понятно, что при разных напряжениях питания будут разные уровни.

- Большое входное сопротивление, следовательно, входной токI _вх 0, следовательно – не ограниченная нагрузочная способность n.

- Выходные токи лог. «0» и «1»:

I⁰_вых = 0,01…3 мА

I¹_вых = 0,01…1,6 мкА

- Время задержки - зависит от емкости нагрузки, напряжения питания и темпера-туры и для различных типов микросхем составляет: t _зд. 80…1000 нс. При этом:

- если емкость нагрузки Сн возрастает, то время задержки также возрастает;

- если напряжение питания U_пит возрастает, то время задержки уменьшается;

- если температура возрастает, то время задержки возрастает (линейно).

По сравнению с ТТЛШ и ЭСЛ, микросхемы серии 561 на МОП-транзисторах имеют самое большое время задержки. Однако современные микросхемы КМОП, микропроцессоры имеют высокое быстродействие.

- Потребляемая мощность складывается из статической и динамической:

Р_потр =

Как было показано ранее, Р_{потр.стат.} 0. Таким образом, если частота работы очень мала, Микросхемы КМОП практически не потребляют тока.

Динамическую потребляемую мощность можно определить по формуле:

P _{потр.дин.} = fC н U _пит ².

Потребляемый ток: I _потр = fC _н U _пит.

Потребление мощности при переключении вызвано перезарядом ёмкости нагрузки.

Очень малое потребление мощности является одним из главных достоинств технологии КМОП. Даже на большой частоте потребление микросхемы КМОП в сотни раз меньше, чем у ТТЛШ, не говоря уже об ЭСЛ. Практически только технология КМОП даёт возможность использовать питание от батареек или аккумуляторов в портативных современных устройствах – мобильных телефонах, часах, калькуляторах и т.д.

Надежность элементов КМОП

К сожалению, недостатком некоторых серий КМОП является низкая надёжность, выход из строя микросхем. Причины этого следующие:

а) МОП-транзисторы подвержены повреждениям от воздействия статического электричества. Электростатический разряд вызывает пробой оксидной пленки диэлектрика. Первый разряд оставляет точки на пленке. При повторных разрядах параметры ИМС продолжают ухудшаться до полного ее пробоя.

Связано это с высоким входным сопротивлением, не позволяющим электростатическому заряду быстро разрядиться (как в биполярных транзисторах).

В связи с этим, во многих сериях КМОП, при работе с ними, необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

- хранить микросхемы завёрнутыми в металлическую фольгу (подумайте почему);

- при монтажных работах, пайке использовать заземляющий браслет;

- неиспользуемые входы микросхем не оставлять неподключёнными («висящими в воздухе» как говорят инженеры). Такие входы обязательно нужно подключить к общему проводу или питанию;

- нельзя подавать на вход сигналы при отключённом питании – сначала нужно подключить питание, а затем уже входные сигналы.

Пояснение к последнему пункту следующее: в 561 серии на входах используются диодные защитные цепочки (смотреть рисунок 1.39). Элементы на схеме не обозначены, но в этом нет необходимости.

Это схема инвертора, в которой добавлены три диода и резистор. Если входное напряжение лежит в пределах от нуля до U_пит., то диоды закрыты и схема работает в обычном режиме. Если же напряжение на входе выходит из этих пределов, т. е. меньше нуля или превышает напряжение питания, то диоды открываются и предохраняют цепь затвора транзистора, так как напряжение на открытом диоде не превышает 1 В.

Понятно, что если общий провод и питание не подключены, то эти защитные цепочки работать не будут.

б) Возникновение эффекта «Тиристорная защелка»

Рассмотрим рисунок 1.40. На нём показаны несколько МОП-транзисторов на кристалле полупроводника.

n n p p

p n

p – n – p – n - ………………….

Рисунок 1.40 - МОП-транзисторы на кристалле

Структуру ИМС КМОП образует как бы тиристор (структура тиристора – n-p-n-p-n или p-n-p-n-p). При определенных условиях тиристор может включиться. Если он включится хотя бы на сотые доли миллисекунды, то его ток может разрушить ИМС или привести к пробою.

Этот эффект возникает если:

- Входное напряжение больше напряжения питания;

- Входное напряжение не равно 0 при U_пит= 0;

- Напряжение питания U_пит >15В.

Схема с защитными диодами на рисунке 1.39, очевидно, препятствует возникновению эффекта «тиристорная защёлка».

1.8 Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И Л)

Элементы И Л существуют только в микроэлектронном интегральном исполнении и не имеют аналогов на дискретных элементах. Для ЛЭ И Л не существует принципиальных схем (в обычном смысле этого слова), а существуют только эквивалентные системы. В ЛЭ И Л питание осуществляется путем инжекции не основных носителей заряда в кристалл полупроводника.

Элементы ИИЛ не являются базовыми при создании серий ИМС – нет серии, полностью построенной по технологии И²Л. Тем не менее, это - одна из самых современных технологий и широко применяется в современных БИС: микропроцессорах, микросхемах памяти. Часто используются комбинированные технологии, например: И²Л – ТТЛШ.

Рассмотрим следующую схему (рисунок 1.41).

Резистор R является общим для всего кристалла. Кристалл микросхемы может содержать несколько таких схем.

VT1 – каскад с общей базой – является стабилизатором тока (или повторителем тока), часто называют инжектором. Через него осуществляется питание остальных транзисторов, из которых построены логические элементы.

В дальнейшем VT1 будем обозначать как источник тока, как это принято в электротехнике:

Построение логической схемы производится путем соединения выходов (коллекторов) с базами других транзисторов, как показано на рисунке 1.42.

ЛЭ имеет один вход, но несколько выходов. К одному инжектору может подключаться до нескольких сотен транзисторов. Число коллекторов транзистора составляет обычно 2-4.

Объединением выходов (коллекторов транзисторов) можно получить логические элементы. Например, на рисунке 1.42 справа получи-лась схема ИЛИ-НЕ.

Особенности элементов И Л

- Малая площадь на кристалле.

- Минимальная работа переключения –А_пер. Таким образом, получается, что элементы И²Л наиболее выгод-ны с точки зрения минимизации одновременно двух важнейших параметров – времени задержки и потребляе-мой мощности.

- Возможность изменения в широких пределах напряженияпитания U_пит, а, следовательно, и потребляемого тока I_потр. Этого можно достичь, изменяя сопротивление резистора R.

- Время задержки составляет t _зд 10-20 нс.

Разновидностью И²Л является так называемая ИШЛ (интегральная Шотки-логика), использующая диоды Шотки, и соответственно имеющая большее быстродействие (смотреть рисунок 1.43).

Заключение к разделу 1

При проектировании цифровых микросхем используются различные технологии, которые непрерывно совершенствуются. Как было показано, каждая технология имеет свои достоинства и недостатки по электрическим параметрам. Важнейшими параметрами обычно являются:

- средняя потребляемая мощность;

- быстродействие;

- нагрузочная способность;

- помехоустойчивость

Некоторые технологии являются устаревшими и давно не используются в современных микросхемах - например:

- диодная логика (ДЛ);

- резисторно-транзисторная логика (РТЛ);

- диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

- транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

- эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

Тем не менее, в настоящем пособии они рассмотрены, так как иллюстрируют принципы развития базовых логических элементов. К тому же, многие из этих серий до сих пор используются во многих работающих изделиях.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются технологии КМОП, И²Л и ТТЛШ.

В микропроцессорах и микросхемах памяти часто используют комбинирован-ные технологии, например. - И²Л-ТТЛШ или КМОП-ТТЛШ. При этом часть узлов в микросхеме выполнена по одной технологии, а часть – по другой.

Правильный выбор элементной базы, а в данном конкретном случае – серии микросхем, является очень важным для разработчика электронных схем. Он позволяет эффективно проектировать электронные устройства с точки зрения стоимости аппаратных затрат и весо-габаритных характеристик изделия.

КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ

Введение

Комбинационными схемами (далее - КС) называют логические схемы, у которых значения выходных сигналов полностью определяются входными в любой момент времени. Любую КС можно представить в виде схемы из базисных логических функций, например, в булевом базисе. Далее будут рассмотрены примеры синтеза типовых КС из логических элементов (ЛЭ).

В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностями выпускается широкий ассортимент интегральных микросхем (ИМС), реализующих стандартные КС: дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и пр. Применение ИМС позволяет значительно сократить затраты и время на проектирование цифровых схем по сравнению с проектированием на ЛЭ.

Далее будут рассмотрены примеры цифровых ИМС, реализующих типовые КС. В качестве примеров выбраны ИМС серий ТТЛ-ТТЛШ и КМОП как наиболее распространенные. Следует отметить, что микросхемы различных серий, имеющие одинаковые названия, имеют одинаковые функциональное назначение, логику работы и расположение выводов (из этого правила существуют редкие исключения).

В ряду ИМС технологий ТТЛ и ТТЛШ это серии 130, 131, 133, 134, 136, 155, 158, 530, 531, 533, 555, 1530, КР1530, 1531, КР1531, 1533 и КР1533. То есть, если известно функционирование ИМС, например, 155КП7, то аналогично работают ИМС 533КП7, 1533КП7 и т. д. (если они имеются в составе этих серий).

Следует иметь в виду, что одинаковой будет у этих ИМС лишь таблица истинности, т. е. логика работы, другие же параметры (быстродействие, потребляемая мощность, входные и выходные токи и т. д.) будут другими.

В сериях КМОП аналогично друг другу работают микросхемы серий 164, 176, 561, 564, 1561. Микросхемы КМОП серий 1564 и 1554 функционируют аналогично одноименным микросхемам ТТЛ-ТТЛШ.

В дальнейшем для простоты будет идти речь о двух популярных сериях ИМС: 555 (ТТЛШ) и 561 (КМОП).

Подробные справочные данные по микросхемам приведены в [1], [3]. В данном пособии достаточно подробно описаны наиболее распространенные ИМС.

Цифровые логические элементы

Цифровые логические элементы являются простейшими КС, реализующими базовые логические функции либо их простые комбинации. ИМС, реализующие ЛЭ, являются микросхемами малой степени интеграции (МИС) и содержат несколько (1-6) ЛЭ. Такие ИМС на арго инженеров-схемотехников часто называют «россыпь». Число ЛЭ в одном корпусе ограничено стандартным числом контактов (обычно 14 или 16).

Инверторы

Инверторы – логические элементы, реализующие логическую функцию НЕ. Микросхемы, содержащие инверторы, обозначаются буквами ЛН. Примерами таких ИМС являются 555ЛН1 и 561ЛН2, содержащие 6 инверторов в одном корпусе (рисунок 2.1). Имеются также аналогичные микросхемы инверторов с открытым коллектором (ОК) - 555ЛН2. В сериях ТТЛ (133, 155) есть инверторы с ОК и повышенным выходным напряжением.

Элементы И

Элементы, реализующие логическую функцию И, обозначаются буквами ЛИ.

Микросхема 555ЛИ1 имеет четыре 2-входовых элемента И (рисунок 2.2а). Следует отметить, что в сериях КМОП практически отсутствуют элементы И, имеется лишь одна микросхема в серии 1561: 1561ЛИ2, аналогичная 555ЛИ1. Микросхема 555ЛИ2 отличается от ЛИ1 тем, что имеет выходы с ОК, а 1533ЛИ8 – выходы с повышенной нагрузочной способностью.

Микросхема 555ЛИ3 имеет три 3-входовых элемента И (рисунок 2.2б). 555ЛИ4 отличается тем, что имеет выходы с ОК, а 555ЛИ10 – выходы с повышенной нагрузочной способностью.

ИМС 555ЛИ6, изображенная на рисунке 2.2в, имеет два 4-входовых эл-та И.

При необходимости использования элементов И с большим числом входов, производят каскадное соединение имеющихся микросхем И.

Элементы И-НЕ

ИМС, содержащие элементы И-НЕ, обозначаются буквами ЛА. Поскольку элемент И-НЕ является базовым в сериях ТТЛ-ТТЛШ, то в этих сериях имеется наибольшая номенклатура этих элементов.

Микросхема 555ЛА3, изображенная на рис.2.3а, содержит четыре 2-входовых элемента И-НЕ и является одной из самых распространенных в цифровой схемотехнике. В сериях КМОП её аналог – ИМС 561ЛА7. Существует целый ряд аналогичных микросхем в сериях ТТЛ-ТТЛШ (ЛА8, ЛА9, ЛА11, ЛА12, ЛА13, ЛА15), имеющих повышенные выходные токи или напряжения, выход с ОК либо комбинации перечисленных свойств.

ИМС 555ЛА4 (КМОП-аналог – 561ЛА9), изображенная на рисунке 2.3б, содержит три 3-входовых ЛЭ И-НЕ. 555ЛА10 отличается тем, что имеет выход с ОК, а 1533ЛА24 имеет выход с повышенной нагрузочной способностью.

ИМС 555ЛА1 (в сериях КМОП – 561ЛА8), изображенная на рисунке 2.3в, содержит два 4-входовых элемента И-НЕ. Аналогичная ИМС 555ЛА6 имеет выходы с повышенной нагрузочной способностью, а ЛА7 – с открытым коллектором.

Микросхема 555ЛА2 имеет один 8-входовой элемент И-НЕ. В отечественных микросхемах КМОП-серий аналогичный элемент отсутствует.

Элементы ИЛИ

Микросхемы, реализующие элементы ИЛИ, обозначаются буквами ЛЛ. В сериях ТТЛ-ТТЛШ имеется ИМС 555ЛЛ1 (рисунок 2.4), содержащая четыре элемента 2ИЛИ. В сериях КМОП элементы ИЛИ отсутствуют.

Элементы ИЛИ-НЕ

Микросхемы ИЛИ-НЕ обозначаются буквами ЛЕ. На рисунке 2.5а изображена ИМС 555ЛЕ1 (КМОП-аналог – 561ЛЕ5). 155ЛЕ6 отличается тем, что имеет выход с повышенной нагрузочной способностью.

ИМС 555ЛЕ4 (в КМОП-сериях – 561ЛЕ10), изображенная на рисунке 2.5б, имеет три 3-входовых элемента ИЛИ-НЕ.

Микросхема 561ЛЕ6 (рисунок 2.5в) содержит два элемента 4ИЛИ-НЕ. Аналогичная ИМС имеется в сериях ТТЛ: 155ЛЕ5 и 155ЛЕ6 (с повышенной нагрузочной способностью).

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 4889; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!