Особенности применения КМОП микросхем

Первой и основной особенностью КМОП микросхем является большое входное сопротивление этих микросхем. В результате на вход этой цифровой микросхемы может наводиться любое паразитное напряжение, в том числе и равное половине напряжения питания, и храниться на нем достаточно долго.

При подаче на вход КМОП микросхемы половины напряжения питания открываются транзисторы, как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада микросхемы, в результате микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и в результате может выйти из строя. Поэтому входы цифровых КМОП микросхем ни в коем случае нельзя оставлять неподключенными.

Второй особенностью КМОП микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании (если подавать на входы этих микросхем логические сигналы). Однако работают они в таком режиме чаще всего неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада КМОП микросхем. Конструкция КМОП инвертора приведена на рис. 3.18, а полная схема КМОП инвертора с учетом защитных и паразитных диодов приведена на рис. 3.19.

Рис.3.18. Конструкция КМОП инвертора

Рис.3.19. Полная схема КМОП инвертора.

К сожалению, каждое преимущество КМОП микросхем при определенных условиях может оказаться недостатком. Так как сопротивление изоляции затвора МОП транзистора очень велико, то на затворе может наводиться очень высокий статический потенциал. Этим потенциалом изоляция затвора транзистора может быть пробита. Поэтому для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством в схему базового элемента были введены диоды VD1 и VD2. Это приводит к тому, что при подаче на вход микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадет на шину питания микросхемы, и так как КМОП микросхема потребляет достаточно малый ток, то она начнет работать. Однако в ряде случаев тока для надежной работы схемы может не хватить. В результате микросхема может работать неправильно. Вывод: при неправильной работе микросхемы тщательно проверьте питание микросхемы, особенно выводы корпуса. При плохо пропаянном выводе корпуса микросхемы его потенциал будет отличаться от потенциала общего провода схемы.

Третья особенность работы КМОП микросхем связана с существованием паразитных диодов VD3 и VD4 (см. рис. 3.19). Эти диоды, при неправильно подключенном источнике питания, могут быть пробиты (микросхемы ТТЛ выдерживают кратковременную переполюсовку питания). Для защиты микросхем от переполюсовки питания следует в цепи питания предусмотреть защитный диод. Это относится и к ТТЛ микросхемам.

Четвертая особенность КМОП микросхем — это протекание импульсного тока по цепи питания при переключении микросхемы из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при замене ТТЛ микросхем на аналогичные КМОП микросхемы резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно, и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу ТТЛ или BICMOS.

Еще одно неприятное явление в КМОП микросхемах связано с паразитными структурами, образующимися в полупроводнике. Если внимательно посмотреть на рис. 3.18, то можно увидеть, что между источником питания и корпусом образуется паразитная p‑n‑p⁺-n структура. При превышении напряжения на входе микросхемы над напряжением питания в n карман может инжектироваться достаточное количество дырок для того, чтобы этот n карман исчез. В результате через микросхему будет протекать ничем не ограниченный ток. Теперь уже этот ток будет инжектировать в n‑карман дополнительные положительные заряды. Процесс становится неуправляемым и может быть прекращен только снятием напряжения питания. Это явление получило название защелкивания. К подобному эффекту может привести подача на вход микросхемы отрицательного напряжения. Поэтому при проектировании схемы цифрового блока следует принимать меры для того, чтобы напряжение на входе микросхемы находилось в пределах от потенциала общего провода до напряжения питания.