Характеристики кмоп микросхем с полевыми транзисторами. Логические элементы кмоп

Для проектирования цифровых ИС кроме биполярных п-р-п- и p-n-p-транзисторов используются также униполярные полевые и -канальные транзисторы (рис. 5.17,а), которые называются МОП-транзисторами (МOS-transistors; MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - металл-окисел-полупроводник). В общем случае полевой транзистор имеет четыре электрода: исток S (Source), сток D (Drain), затвор G (Gate) и подложка SS (Substrate). Вывод затвора в изображении полевых транзисторов смещается ближе к истоковому выводу. Изображение канала с обогащением штриховой линией символизирует отсутствие проводимости между стоком и истоком при нулевом напряжении затвор-исток. На рис. 5.17,а символами "+" и "-" обозначены полярности напряжений на электродах для нормального режима работы полевого транзистора. Подложка обычно подключается к истоку или к одному из полюсов источника питания.

На рис. 5.17,6 показана схема включения пары комплементарных транзисторов (транзисторов с разными типами каналов), представляющая собой электронный ключ - инвертор (ЛЭ НЕ). Особенностью данного ключа является отсутствие тока через транзисторы в статическом состоянии, так как при любом значении входного сигнала один из последовательно включенных транзисторов закрыт. Ключ потребляет ток только при его переключении на интервале времени, в течение которого изменяется входной сигнал. На этом интервале оба транзистора

открыты, так как входной сигнал имеет значения приводит к значениям разностей напряжений между затворами и истоками и -канальных транзисторов, значительно отличающимися от нулевых. Наибольший ток протекает при

Полевые транзисторы позволяют построить не только цифровые, но и аналоговые ключи для коммутации двуполярных аналоговых сигналов, что невозможно сделать на биполярных транзисторах. На рис. 5.17,в показан основной элемент такого аналогового ключа (вместо потенциала земли для коммутации Двуполярных сигналов следует подать отрицательное напряжение При значениях оба транзистора закрыты (сопротивление закрытого ключа составляет ротни ключ разомкнут, а при открывается один из транзисторов в зависимости от полярности коммутируемого входного напряжения В этом Случае сопротивление между полюсами ключа проставляет от единиц до сотен Ом в зависимости от типа (сопротивленйе открытого ключа). Чем меньше зависимость величины напряжения коммутируемого сигнала, тем выше линейность ключа. При проектировании аналоговых ключей принимают меры по улучшению их линейности. Вход и выход аналогового ключа неразличимы - входом будет тот полюс ключа, на который подан коммутируемый сигнал.

Разработаны три основные технологии изготовления ИС на полевых транзисторах:

МОП технология (n-MOS technology),

МОП технология p-MOS technology),

КМОП технология CMOS technology; CMOS - Complementary MOS).

Все эти технологии постоянно совершенствуются с целью увеличения быстродействия и степени интеграции элементов на кристалле. К настоящему времени разработано несколько десятков этих технологий.

Схемотехника КМОП ИС. Первые КМОП ИС серии были разработаны фирмой в 1968 г. , затем была выпущена серия вытесненная впоследствии ( серией с улучшенными характеристиками. Данные серии ИС выпускают многие зарубежные фирмы, например, серии Серии серии серий и др. Общим

недостатком ИС всех этих серий является их низкое быстродействие (время задержки сигналов достигает сотен не) и малые значения выходных токов.

В 1981 г. фирмами Motorola и National Semiconductor были разработаны ИС серий близкие по физическим параметрам к сериям В частности, быстродействие этих КМОП и ТТЛ серий одинаково (среднее время задержки вентиля не). Еще большее быстродействие было достигнуто в КМОП сериях разработанных в 1985 г. фирмой Texas Instruments Inc. (). Положительные свойства как ТТЛ ИС, так и КМОП ИС были реализованы фирмой в ИС серии ВСТ (1987 г.), изготовляемых по BiCMOS-технологии технология с размещением биполярных и КМОП транзисторов на одном кристалле с уровнями входных и выходных сигналов ИС, совместимых с ТТЛ-уровнями) .

В табл. 5.9 приведено соответствие отечественных и зарубежных серий КМОП ИС. Напряжение питания у КМОП ИС можно изменять в широких пределах - чем выше напряжение питания, тем больше быстродействие ИС. По выполняемым функциям и (или) нумерации выводов ИС серий 4000 в большинстве своем отличаются от ТТЛ ИС аналогичного функционального назначения. Функциональный ряд ИС серий включает в себя часть ИС как ТТЛ серий 54/74, так и КМОП серий с одинаковыми номерами во всех этих сериях имеют одинаковое функциональное назначение и нумерацию выводов).

На рис. 5.18, а показаны цепи диодной защиты входов и выходов ЛЭ от электростатического напряжения у ИС серии а на рис. 5.18,6 - у ИС серии Такую защиту входов и выходов имеют все цифровые ИС, кроме преобразователей уровней напряжений которых используется другой вариант защиты входов (рис. 5.19). При первом варианте защиты входов уровни входных сигналов не должны превышать напряжения питания из-за открывания диода, включенного между входом и полюсом При втором варианте защиты уровни входных сигналов могут в несколько раз превышать значение не выводя ИС из строя (избыточное напряжение гасится на резисторе). В этом случае ИС работает как понижающий преобразователь уровня логической 1. Входная цепь обеспечивает также защиту от отрицательных значений напряжений входных сигналов. В

(см. скан)

дальнейшем цепи защиты входов и выходов, как правило, показываться не будут.

Различие между сериями (рис. 5.19,а) и (рис. 5.19,6) заключается в наличии на выходах ИС последней дополнительных буферов для развязки ИС от внешней среды. Вместо серии в настоящее время выпускается серия с небуферированными выходами, имеющая аналогичные электрические параметры (UB - Unbuffered, В - Buffered). Наличие в серии CD40005 дополнительных выходных буферов приводит к увеличению задержек сигналов в ЛЭ, но улучшает переключательные характеристики. Сравнительная характеристика этих серий приведена в табл. 5.10.

Таблица 5.10. (см. скан) Параметры ИС серий CD4000B и CD4000UB

Реализация аналогового ключа показана на рис. 5.20. При значении сигнала ОЕ = 1 (ОЕ - Output Enable) ключ открыт, а при закрыт. В закрытом состоянии ключ характеризуется большим выходным импедансом и принято говорить, что выход находится в Z-cостоянии. Вместо

потенциала земли можно подать отрицательное напряжение но при этом должно выполняться условие

Схема двухвходового представлена на рис. 5.21. Выходной каскад на двух комплементарных транзисторах является буферным каскадом, так как он изолирует все внутренние связи от выхода ЛЭ. Различие между небуферированной и буферированной сериями наглядно видно из рис. 5.22, где представлены выполняющие одинаковые функции Другое схемотехническое исполнение ЛЭ 2И-НЕ показано на рис. 5.23.

Универсальный набор элементов, состоящий из двух комплементарных пар МОП-транзисторов и инвертора, реализован в (рис. 5.24). Данный набор позволяет пользователю с помощью внешних соединений выводов ИС получать аналоговые коммутаторы и

аналоговый двухканальный коммутатор (рис. 5.25) - соединены выводы 2 и 9; 4 и 11; 3 и 6; 8, 10 и 13; 1, 5 и 12;

три инвертора - соединить выводы 2, 11 и 14; 4, 7 и 9; 8 и 13 (выход НЕ со входом 6); 1 и 5 (выход НЕ со входом 3); 10 - вход выход НЕ;

3ИЛИ-НЕ - соединить выводы 4, 7 и 9; и 11; 5, 8 и 12 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

3И-НЕ - соединить выводы 2, 11 и 14; 4 и 8; 5 и 9; 1, 12 и 13 (выход ЛЭ со входами 3, 6 и 10);

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 4, 8 и 9; 1 и 11; 5, 12 и 13 (выход

ЛЭ, реализующий функцию соединить выводы 2 и 14; 7 и 9; 4 и 8; 1, 11 и 13; 5 и 12 (выход ;

инвертор с Z-состоянием выхода, выполняющий функцию

При и Z-состояние выхода при соединить выводы 8, 11 и 13;

По сравнению с ТТЛ ИС следует отметить следующие достоинства КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561):

малая мощность потребления в диапазоне частот до (в статическом режиме мощность потребления составляет на вентиль);

большой диапазон напряжения питания можно использовать нестабилизированный источник питания; очень высокое входное сопротивление ( большая нагрузочная способность на частотах до

малая зависимость характеристик от температуры. К недостаткам КМОП ИС серий 4000 (серий 561 и 1561) следует отнести:

повышенное выходное сопротивление (0,5 ... 1 кОм); большое влияние емкости нагрузки и напряжения питания на время задержки, длительность фронтов и потребляемую мощность;

большие времена задержек и длительности фронтов; большой разброс всех параметров.

Графики зависимостей рассеиваемой мощности от частоты для КМОП и ТТЛ ИС пересекаются на некоторой частоте, поскольку у ТТЛ ИС динамическая мощность очень слабо зависит от частоты переключения. На предельно допустимых частотах мощность потребления КМОП ИС оказывается такого же порядка, что и у ТТЛ ИС.

В статическом режиме (без перегрузки) у КМОП ИС уровни выходных сигналов значительно отличаются от уровней У КМОП ИС в отличие от типовых значений Требования к уровням входных сигналов также значительно различаются: у КМОП ИС в отличие от Соответственно различаются пороги переключения: для КМОП BС и 1,2 В для ТТЛ BС. Это вызывает определенные трудности при использовании в одном устройстве ТТЛ и уровень

При Способы согласования уровней будут рассмотрены в § 5.6.

В сериях выпускаются КМОП ИС двух типов: серии не согласованные по входам с ТТЛ ИС, и серии согласованные по входам с ТТЛ ИС (не требующие дополнительного преобразования уровней). Эти серии различаются выполнением входных и выходных цепей ИС, показанных на рис. 5.26,а для ИС серий на рис. 5.26,б - для ИС серий на рис. 5.27 - для ИС серий и на рис. 5.28 - для ИС серий Пороги переключения у ИС серий находятся между , а у ИС серий порог переключения равен при требовании к уровням входных сигналов, задаваемом неравенствами

Помехоустойчивость ИС серий приведена в табл. 5.11, из которой видно, что она значительно выше, чем у ТТЛ серий (см. табл. 5.5). Предельные значения параметров ИС этих серий указаны в табл. 5.12, а рекомендуемые условия эксплуатации

(см. скан)

В табл. 5.13 .

Интегральные схемы КМОП серий, имеющие одинаковые номера (у зарубежных ИС) или одинаковые буквенно-цифровые обозначения (у отечественных ИС раздельно по группам серий 176/561/564/1561 и 1564/1554), выполняют одинаковые функции и совпадают по разводке внешних выводов. В дальнейшем на рисунках для ИС КМОП серий будет указываться название ИС только одной конкретной серии, хотя аналогичные ИС могут быть и в других сериях.

Рис. 5.29 (см. скан)

На рис. 5.29 представлены ЛЭ И-НЕ, И, НЕ, ИЛИ-НЕ и сумма по модулю два, выпускаемые отечественной промышленностью. На графических обозначениях указаны номера аналогов зарубежных ИС. Логические элементы серии 176 приведены на рис. 5.30. Применение было рассмотрено выше при описании ее зарубежного аналога комплементарные пары транзисторов, G - затвор, стоки р-канального и n-канального транзисторов, SP и SN - истоки

(кликните для просмотра скана)

p-канального и n-канального транзисторов). Зарубежные ЛЭ, не имеющие в настоящее время отечественных аналогов, показаны на рис. 5.31 и 5.32.

Рис. 5.32 (см. скан)

Параметры ИС КМОП серии приведены в табл. , а в табл. П2.3 - параметры ИС серий 4000 , которые в первую очередь следует учитывать при проектировании цифровых и микропроцессорных устройств. Параметры отечественных ИС серий 176, 561 и 1561 можно найти в справочниках , а ИС серии 1554 - в . Полезный справочный материал по ИС КМОП серий имеется в .

Интегральные схемы серий 54.АС11000/74.АС11000.

Для уменьшения уровня помех у быстродействующих КМОП ИС, возникающих при переключении ЛЭ, предпочтительнее использовать центральное расположение выводов питания на

кристалле, причем выходы ИС следует располагать на той стороне, где находится общий вывод питания (GND). Фирма выпустила серии где число И указывает на центральное расположение выводов питания ИС, а числа порядковый номер ИС, как и в остальных сериях На рис. 5.33 приведены ЛЭ этих серий.

Интегральные схемы серий SN54BCT/SN74BCT.

Как указывалось выше, ИС данных серий изготовляются по BiMOS технологии. Входные цепи ИС выполняются по схеме, приведенной на рис. 5.34,а, что делает входы этих ИС совместимыми с ТТЛ-уровнями входных сигналов.

В микропроцессорных системах в большом количестве используются шинные драйверы и приемопередатчики, причем в каждый момент времени в активном состоянии находится приемопередатчик или драйвер только одного внешнего устройства, а остальные - в Z-состоянии. Драйверы и приемопередатчики, выполняемые по ТТЛ технологиям, в Z-состоянии выходов потребляют ток того же порядка, что и в активном состоянии выходов, хотя не выполняют большую часть времени полезной работы.

Основная цель разработки BiMOS ИС и заключалась в резком снижении потребляемого тока в Z-состоянии выходов ИС, предназначенных для проектирования внешних устройств микропроцессорных систем. На рис. показана схема -состоянием выхода, выполненного по BiMOS технологии входная цепь, показанная на рис. 5.34,а).

Неиспользуемые входы ИС.

При проектировании цифровых устройств на ИС могут использоваться не все их входы. Исходя из логики работы разрабатываемого устройства, на эти входы следует подать либо логический уровень 0, либо уровень 1. Логический уровень 0 как в ТТЛ, так и в КМОП ИС подается подключением неиспользуемого входа к корпусу Логический уровень 1 подается на неиспользуемые входы подключением их к источнику напряжения питания (ТТЛ ИС) или (КМОП ИС), однако входы ТТЛ ИС серий 54/74, , в которых используются многоэмиттерные транзисторы, рекомендуется подключать к источнику питания через токоограничивающий резистор для защиты от скачков напряжения, возникающих, например, при включении питания.

Рис. 16.10.

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.

Рис. 16.11.

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.

Рис. 16.12.

Краткие итоги

В зависимости от элементной базы, различают различные технологии производства ИМС. Основными являются ТТЛ на биполярных транзисторах и nМОП и КМОП на полевых транзисторах .

Ключевые термины

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.

Принятые сокращения

КМОП – комплементарный, металл, оксид, полупроводник

Набор для практики

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.

Логические КМОП (КМДП) инверторы

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.

Рисунок 1. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-инвертор)

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

Рисунок 2. Зависимоть тока потребления КМОП микросхемы от частоты

Логические КМОП (КМДП) элементы "И"

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.

Рисунок 3. Принципиальная схема логического элемента "2И-НЕ" , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)

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 .

Рисунок 4. Условно-графическое изображение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 1. Таблица истинности КМОП-микросхемы, выполняющей "2И-НЕ"

x1	x2	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

"ИЛИ" , выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы "2ИЛИ", рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" , выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема логического элемента "ИЛИ-НЕ", выполненного на комплементарных МОП транзисторах

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.

Рисунок 6. элемента "2ИЛИ-НЕ"

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.

Особенности применения КМОП-микросхем

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.

Рисунок 7. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора

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

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.

Рисунок 8. Уровни логических сигналов на выходе цифровых КМОП-микросхем

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.

Рисунок 9. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП-микросхем

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы можно определить точно так же (разделить напряжение питания на 3).

Семейства КМОП-микросхем

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.

Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n -МОП и p -МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (рис. 4.17 ) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

На рис. 4.5.2. приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n -каналом (VТ n ) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р -каналом (VТ p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.

Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+E П ), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТ n , а в качестве нагрузочного – VТ p .

Рис. 4.17.1. КМОП инвертор

Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов

Инвертор (рис. 4.17 ) построен так, что исток VТ p соединен с E n , а исток VТ n – с землей. Затворы VТ n и VТ p объединяются и служат входом инвертора, стоки VТ n и VТ p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТ n и VТ p: U зип = U вх, U зир = U вх -Е п

U зип – напряжение затвор-исток n -канального транзистора (VТ n );

U зир – напряжение затвор-исток р -канального транзистора (VТ р ).

При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТ n и VТ p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение U Пп = ½U Пр ½=1,5В.

U Пп - пороговое напряжение n -канального транзистора;

U Пр - пороговое напряжение p -канального транзистора.

Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 4.18-а ), на которой можно выделить четыре участка и зависимости U ЗИ = f (U BX ) (рис. 4.18-б ).

Участок 1: U 0 вх £ U Пп . При этом U зип = U вх и VТ n закрыт, U зир = U вх - Е п < U Пр и VТ p открыт.

Рис. 4.18. Характеристики КМОП инвертора:
а) ХВВ, б) U ЗАТВОР-ИСТОК = f(U ВХ); в) I ПОТР = f(U BX)

VТ n закрыт), VТ p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к E П (U 1 ВЫХ » E П).

Участок II: U П > U ВХ > U Пп,

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 Пр и VТ p открыт.

На этом участке ½U ЗИП ½< ½U ЗИР ½, поэтому VТ p будет оставаться в насыщении, а VТ n – в активном режиме.

VТ n .

Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТ p , за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТ p все еще находится в насыщении.

Точка U П : U ВХ = U П =0,5Е П;

U ЗИП =U ВХ = U П > U Пп , и VТ n открыт; 0,5Е П < U Пр и VТ p открыт.

В этой точке |U ЗИП |=|U ЗИР | следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (U ВЫХП =0,5E П). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.

Участок III: Е П - ½U Пр ½ > U ВХ > U П ; U ЗИП = U ВХ > U Пп и VТ n открыт; U ЗИР = U ВХ -Е П < U Пр и VТ Р открыт, но с ростом U ВХ становится все менее и менее открытым.

На этом участке U ЗИП > |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.

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ p закрыт). VТ n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (U вых » 0).

Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а ), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (U вх = U П )лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (Е П >U вх > 0). При Е П = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом E П абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от Е П (U 0 вх.макс » 0.3Е П , U 1 вх.мин » 0.7Е П ).

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).

Лекция. Изготовление процессоров

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов , соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы микпроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора).

Как делают микросхемы

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник - это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная .

Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная - к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы - основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом - при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время - 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток . Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится.

Рис. 1. Принцип работы КМОП-транзистора

Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток - говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов.

Вот изображение поперечного сечения процессора:

Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.

Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).