5.2. Интегральные схемы КМОП серий

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.

Рис. 5.17

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. [26], 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) [27].

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

Рис. 5.20

Рис. 5.21

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

(кликните для просмотра скана)

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.

Увеличение мощности потребления с повышением частоты переключения вызвано наличием паразитных емкостей у входов ИС. Зависимость динамической мощности потребления от емкости С, частоты переключения и напряжения питания определяется формулой:

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

Рис. 5.26

Рис. 5.27

Рис. 5.28

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 [27].

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. [27, 39], а в табл. П2.3 - параметры ИС серий 4000 [40, 41], которые в первую очередь следует учитывать при проектировании цифровых и микропроцессорных устройств. Параметры отечественных ИС серий 176, 561 и 1561 можно найти в справочниках [35, 42, 43], а ИС серии 1554 — в [34]. Полезный справочный материал по ИС КМОП серий имеется в [44].

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.

Способы подачи на входы ИС констант 0 и 1 изображены на рис. 5.35,а (логический уровень 1 можно подавать с выходов ЛЭ, если некоторые из них остались в устройстве неиспользованными). Величина резистора определяется из соотношения

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

где число подключенных к резистору входов ЛЭ.

У многовходовых ЛЭ И, ИЛИ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ неиспользуемые входы можно подключать к используемым (рис. 5.35,6). Если какой-либо вход ИС, выполненной по ТТЛ-технологии, не подключен ни к корпусу, ни к источнику питания, то она будет работать так, как будто на этот вход подан логический уровень 1, но надежность работы будет низка (импульсные помехи, вызванные переключением соседних входов и выходов, могут привести к непредусмотренному срабатыванию ИС).

На рис. 5.35,в показаны различные варианты включения ТТЛ D/R-S-триггера при неполном использовании его функциональных возможностей, определяемых функцией переходов

Если тактовый сигнал (0 или 1), то и никакие помехи на информационном входе не могут вызвать ложного срабатывания асинхронного потенциального -триггера, описываемого функцией переходов Из этого следует, что в этом случае вход можно оставить неподключенным к полюсам источника питания.

Соответствующие варианты включения КМОП -триггера при неполном использовании его функциональных возможностей показаны на рис. 5.35,г — у КМОП ИС не рекомендуется оставлять неподключенным ни одного неиспользованного входа из-за открывания входной комплементарной пары транзисторов, что приводит к протеканию большого сквозного тока и резкому увеличению потребления мощности в статическом режиме.