14.16. Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме

Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким значением тока. Кроме того, стоит расширить вашу осведомленность о патологиях КМОП-технологии.

Типовая процедура проектирования.

1. Обеспечьте в схеме как можно меньше точек с высокочастотными сигналами. КМОП-схемы не имеют тока покоя (иная природа, чем у тока утечки), но при переключении требуется ток для заряда внутренних (и нагрузочных) емкостей.

Поскольку энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как и равна количеству энергии, рассеянной резистивной цепью заряда, то рассеянная мощность определяется следующим образом:

где -частота переключений. Следовательно, КМОП-приборы потребляют мощность пропорционально их частоте переключений, как показано на рис. 14.38 (сравните с рис. 8.18). На их максимальной рабочей частоте они могут потреблять больше мощности, чем эквивалентные ТТЛ логические схемы. Эффективная емкость С зачастую приводится в паспортных данных и именуется как «емкость мощности рассеяния», к которой вы должны добавить и емкость нагрузки , а уж затем пользоваться приведенной выше формулой.

2. Внутри самой схемы поддерживайте все напряжения одинаковыми. В противном случае вы можете иметь ток, протекающий через входные диоды защиты. Даже хуже, вы можете перевести кристалл в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния (см. приведенные ниже патологии).

3. Позаботьтесь о том, чтобы размахи логических сигналов достигали уровней напряжения питания (максимальный перепад напряжения). Перепады выходных сигналов КМОП-схем имеют максимальное значение. Уровни же выходных сигналов других приборов - биполярных -схем, генераторов, n-МОП-кристаллов - могут находиться где-то посередине, что приводит к появлению тока режима класса А и снижению помехоустойчивости.

Рис. 14.38. Динамическая мощность потребления КМОП-схем.

4. Не оставляйте свободными входные контакты. Неподключенные входы являются «врагами» микромощного режима работы, поскольку могут вызвать значительный ток режима класса А (и даже генерацию), как только плавающий потенциал на входе достигнет уровня логического порога. Привяжите неиспользуемые входные контакты к шине земли (или U с с, если это не приведет к чему-нибудь нежелательному).

5. Приведите в порядок нагрузки с тем, чтобы сохранить в нормальном состоянии низкое значение тока потребления. Привязки к верхнему и нижнему уровням, светодиоды и выходные формирователи должны быть подключены так, чтобы в обычном состоянии ток был минимальным. Таким образом, например, используйте п-р-п- (а не р-п-р) транзистор для подключения высоковольтной нагрузки к узлу, который большую часть времени находится в низком состоянии.

6. Избегайте медленных переходов. Снова ток режима класса А является основным виновником. Входной сигнал синусоидальной формы, поступающий на КМОП-триггер Шмитта, может привести к большому потреблению тока от источника питания.

7. Введите токочувствительные резисторы в цепь питания При отказах определенного вида (см. ниже), в частности, которые приводят к статическим повреждениям, КМОП-кристалл может потреблять чрезмерный ток покоя; с помощью -омного резистора, включенного на каждой плате последовательно в цепь U с с (шунтированный со стороны нагрузки), можно легко выявить эту ситуацию. Подключение такого резистора к каждому кристаллу (обычно в этом случае нет необходимости в шунтировании) позволяет вам быстро обнаружить неисправный кристалл (рис. 14.39).

8. Экранирование тока покоя. Типовой логический КМОП-кристалл серии НС или имеет точно определенный ток , равный (тип.) и (макс.). В большинстве случаев редко ток покоя имеет максимальное значение, но иногда это может произойти.

Рис. 14.39. Считывание тока питания («токовый шпион»).

Если вы работаете на низких частотах переключений (следовательно, низкий динамический ток) и требуется сравнительно низкий ток покоя, то вам может потребоваться экранирование входных кристаллов. Использование небольших последовательных резисторов, как рекомендовано выше, делает эту задачу горазо более легкой. Мы отмечали, что в случае КМОП БИС (такие, как память большого объема) типовое значение тока покоя может быть близко к техническим требованиям фирм-изготовителей по максимальному току утечки - остерегайтесь!

Рис. 14.40. «Выключение источника питания через час».

9. Блокировка источника питания по превышению лимита времени. Вы можете сэкономить много мощности, если позаботитесь о том, чтобы прибор выключался, когда его никто не использует. На рис. 14.40 показана простая КМОП-схема блокировки по превышению лимита времени, которая отключает коммутируемый источник питания с напряжением В через час после включения прибора. Вы должны были бы предусмотреть это в переносном приборе (например, универсальном измерительном приборе). Он использует схему -генератор/дели-тель/одновибратор для сброса триггера, который управляет источником питания прибора. Схема работает при напряжении , с тем чтобы поддерживать потребление тока на уровне ниже . Использование выхода одновибратора предотвращает логические гонки (фронтов сигнала) и импульсы, а цепь -шунтирование» используется для тестирования схемы с помощью укорачивания этой задержки до 15 с.

КМОП-ключи при низком токе покоя обеспечивают легкое сопряжение с источником питания.

Патологии КМОП-технологии и виды отказов.

КМОП-схемы странно ведут себя в некоторых обстоятельствах, они могут отказывать самыми сверхестественными способами. Один из видов отказа-это катастрофическое увеличение их мощности рассеяния. Далее дается их краткое изложение.

Рис. 14.41. Паразитный -слойный однооперационный тринистор, образующийся в КМОП интегральных схемах. (Из. . Note 339. National Semiconductor Corp.)

1. Тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния. Это главная угроза для маломощного режима работы. Кремниевая подложка образует диодные переходы с элементами КМОП-схемы, образуя паразитную схему тиристорного типа (рис. 14.41), которая может включиться в тяжелых условиях. Она потребляет ток, как правило, (большее значение для более новых КМОП-семейств) через входные (или выходные) диоды защиты (рис. 3.50), что обеспечивает включение паразитного тиристора. Раз он остается в тяжелых условиях по электропроводности цепи питания, с напряжением приблизительно 1 В (от источника питания на землю), то это часто приводит к разрушению самой ИС (или даже источника питания). Для предотвращения этого тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния, спроектируйте ваши схемы с последовательными входными токоограничивающими резисторами, которые устанавливаются в таких местах, как внешние входы, входы, которые могут быть перегружены, выходы, с которых сигналы выходят за пределы платы или в другие части схемы, питание которых производится от отдельных источников. Неблагоприятные условия по нагрузкам, которые могут возбуждать токи в КМОП выходных цепях, являются потенциальными причинами ключевого режима. Например, использование токового выхода КМОП цифро-аналогового преобразователя (работающего от напряжения и земли) для запитывания контакта суммирования ОУ (питание которого осуществляется от биполярного источника) кажется достаточно «разумным» решением; но при включении питания вы можете получить мгновенный ток, втекающий в этот вход ОУ, что переводит ЦАП в ключевой режим.

Решением здесь может быть добавление диода Шоттки, подключенного на землю. (Новейшие цифро-аналоговые преобразователи спроектированы с соответствующей защитой; поищите в их описаниях фразу типа «защита Шоттки не ) Другое место, где можно наткнуться на ключевой режим с фиксацией состояния, это при переключении больших индуктивных нагрузок с помощью мощных полевых транзисторов с МОП-структурой, чьи большие емкости обратной связи приводят к появлению высоких динамических токов на вентиле-формирователе (т. е. КМОП логическом выходе) в течение переходных процессов. См. ниже разд. «Сигнальная связь», где описан другой сценарий возникновения ключевого режима с фиксацией состояния.

Очень просто получить ключевой режим с фиксацией состояния и при подсоединении печатной платы к находящемуся под питанием разъему, поскольку сигнальная шина может подключиться раньше шины источника питания. (Для схем любого вида это плохая привычка подсоединять или отсоединять платы или модули при включенном питании.) При проектировании на КМОП-приборах стоит изучить официальные технические руководства, где описан этот ключевой режим с фиксацией состояния. В более новых типах КМОП-схем с поликремниевым затвором применены очень эффективные схемы защиты и некоторые фирмы-изготовители (например, National) утверждают, что их серии НС/НСТ или АС/АСТ не могут быть переведены в ключевой режим с фиксацией состояния.

2. Сигнальная связь. Вследствие своих высоких полных сопротивлений КМОП-схемы склонны к емкостной связи соседних сигналов с крутыми фронтами, что приводит к выбросам в логическом сигнале. Например, привязки к верхнему и нижнему уровням с высоким полным сопротивлением допускают связь выбросов через емкость монтажа с ближайшими шинами, по которым проходят сигналы с крутыми фронтами; для борьбы с этим эффектом используйте небольшой ) шунтирующий конденсатор. Как правило, подходящий к панелям монтаж может привести к неисправности из-за этого механизма. Относительно высокая емкость может даже привести к связи с выходной шиной в особенности у КМОП-серий , работающих при напряжении питания 5 В. В крайних случаях (например, переключение высоких напряжений с помощью реле в том же самом жгуте, где и логические уровни) связь может быть достаточной для вызывания тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния.

3. Фазовый сдвиг тактовых импульсов. Как мы уже упомянули в гл. 9, относительно высокое значение КМОП-серий может привести к неисправностям в синхронных системах в особенности, если шина тактовой синхронизации имеет тяжелую емкостную нагрузку, что приводит к задержке сигналов тактовой синхронизации относительно сигналов данных. Относительно большой разброс логических порогов КМОП-схем только отягощает эту ситуацию. В системах с нестабилизированным батарейным питанием важно проверить надежность функционирования схемы во всем диапазоне напряжения источника питания. Это неожиданно, но ситуация имеет тенденцию к ухудшению при более высоком напряжении , когда задержки сигналов данных и времена переходных процессов становятся короче. Это один из аргументов для применения стабилизированных источников питания в питаемых от батареи КМОП-системах.

4. Виды отказов. Неисправность на входе может вызвать входной ток утечки (или короткое замыкание) на или на . Повреждение выходного каскада часто является причиной существенного тока покоя. Это может привести к холостому ходу одного из формирователей, так что он не может быть ни источником, ни потребителем тока.

Рис. 14.42.

В такой ситуации может быть ток покоя только в одном состоянии. Токочувствительные резисторы в цепях U с с, как это рекомендовано выше, облегчат задачу «выследить» и «поймать» эти неисправности. При использовании этого метода отметим, что легко быть одураченным, поскольку симптомом поврежденного входа может быть ненулевой ток покоя в здоровом кристалле, который работает на поврежденный.

Поврежденный КМОП-кристалл может работать только при очень низких скоростях (повреждение формирователя) или только на очень высоких частотах (повреждение входного каскада, отсутствие связи по постоянному току, емкостная связь). Аналогичный симптом может иметь место, если вы забыли подключить входной контакт: сама схема может «работать» на высоких скоростях благодаря емкостной связи фронтов (рис. 14.42). Привязка к нижнему уровню будет выявлять эту проблему, предотвращая флуктуации входного потенциала к порогу срабатывания. Как было показано в разд. 8.35, забывчивость подключения напряжения приводит к сверхестественным симптомам, поскольку кристаллы могут получать питание через свои логические входы (через входные диоды защиты); хотя это питание пропадает, если все входы одновременно перевести в НИЗКОЕ состояние.