Схемотехника блэ n моп и p моп типов

 

Широкому распространению МДП-схемотехники способствовали следующие её особенности:

более простая технология её изготовления (короче технологический цикл процесса), что способствует повышению процента выхода годных изделий;

меньшие геометрические размеры прибора и более простые схемотехнические решения, что при одинаковой с биполярной ИС площади кристалла позволяет разместить на нем более сложную по выполняемым функциям схему или при одинаковой функциональной сложности получить меньшую площадь кристалла, что также повышает процент выхода годных изделий (уменьшается влияние дефектов исходного полупроводника).

Вместе с тем при разработке ИС МДП приходится учитывать следующие особенности данного класса приборов:

1. МДП-транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным транзистором. Это выражается в большем выходном сопротивлении и, следовательно, большем остаточном напряжении во включенном состоянии;

2. Производная выходной характеристики МДП-транзисторов (выходная крутизна транзистора) dI _С / dU _СИ  при малых значениях напряжения сток-исток имеет ярко выраженную зависимость от напряжения на затворе., в то время как аналогичная характеристика для биполярного транзистора имеет постоянный характер. Поэтому остаточное напряжение на включенном МДП-транзисторе сильно зависит от управляющего напряжения. Применительно к логическим схемам это означает, что напряжение лог.0 сильно зависит от напряжения лог.1. ослабить эту зависимость можно уменьшением абсолютного тока стока во включенном состоянии, что требует использования в ключе на МДП-транзисторе высокоомной нагрузки;

3. Необходимость применения собственной высокоомной нагрузки при фиксированной емкости (входной емкости аналогичного элемента) увеличивает постоянную времени, определяющую длительность фронта и спада выходного напряжения ЛЭ. Это приводит к снижению быстродействия;

4. В силу нестабильности выходных логических уровней для обеспечения достаточной помехоустойчивости ЛЭ на МДП-транзисторах должны работать на больших величинах логического перепада. Это также не улучшает быстродействие.

Вместе с тем высокоомная нагрузка имеет и положительное свойство, поскольку уменьшается рассеиваемая на транзисторе мощность.

Схемотехнические решения, используемые при построении ИС МДП, направлены на устранение недостатков элементарного ключа. Поэтому в них схема ключа с нагрузочным резистором не используется. Широкое применение нашла схема с нагрузочным МДП-транзистором. Это дополнительно позволяет упростить технологию изготовления ИС, так как из схемы исключаются все пассивные элементы(резисторы) и она строится на однотипных элементах – МДП-транзисторах. Особенностью схемы ключа на МДП-транзисторе является зависимость сопротивления нагрузочного резистора от напряжения на рабочем транзисторе (чем больше напряжение, тем больше крутизна нагрузочного транзистора). Это обеспечивает увеличение тока перезаряда емкости нагрузки, а значит, и быстродействия ключа.

В зависимости от типа используемого транзистора различают ИС nМОП и pМОП-типов. Рассмотрим построение БЛЭ с использованием nМОП-транзисторов. На рис. 8.18  приведены принципиальные электрические схемы двухвходовых БЛЭ, реализующих операции 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ.

 

 

Рис. 8.18  Принципиальные электрические схемы БЛЭ на МДП-транзисторах, реализующих операции 2И-НЕ (а) и 2ИЛИ-НЕ (б)

 

Обе схемы содержат по три транзистора, из которых VT 1 выполняет роль активной нагрузки, а VT 2 и VT 3являются собственно транзисторными ключами, реализующими логические операции. В схеме (рис. 8.18,а), реализующей логическую операцию И-НЕ, транзисторы VT 2 и VT 3 включены последовательно. Поэтому для появления на выходе схемы низкого напряжения на затворы обоих транзисторов необходимо подать высокое напряжение, достаточное для протекания тока активной нагрузки. В схеме на рис. 8.18, б транзисторы VT 2 и VT 3 включены параллельно. Поэтому при подаче на затвор любого из них высокого напряжения на выходе будет сформировано напряжение низкого уровня.

Увеличение числа входных переменных элемента требует увеличения количества последовательно или параллельно включенных транзисторов. Это значит, что при использовании описанного принципа с минимальными схемотехническими затратами можно легко построить ЛЭ с требуемым числом входов.

 

Схемотехника БЛЭ КМОП-типа

 

Увеличение быстродействия ИС МДП требует увеличения токов перезаряда емкостей нагрузки. Однако это ограничивается ростом потребляемой мощности и увеличением нестабильности выходных логических уровней. Преодолеть указанное противоречие можно либо технологическим путем, создавая транзисторы с меньшей входной емкостью, либо схемотехническим путем, применяя схему ключа на транзисторах с каналами различного типа (комплементарные транзисторы). Такие ключи позволяют, с одной стороны, значительно увеличить токи перезаряда емкости нагрузки, а с другой – максимально уменьшить мощность, рассеиваемую на нагрузке. Как выяснилось, ключ на комплементарных нагрузках при правильном выборе параметров входящих в него элементов в статическом режиме работы практически не потребляют энергии от источника постоянного тока.

Потребляемая ЛЭ мощность в статическом режиме тождественно равна мощности, отдаваемой им в нагрузку. А так как нагрузкой элемента являются входные цепи аналогичных элементов, носящие чисто емкостной характер, то мощность, отбираемая от источника питания, расходуется только в динамическом режиме на перезаряд этой емкости, т.е. имеет минимально возможное значение. На рис. 8.19 приведена принципиальная электрическая схема транзисторного ключа, используемого в ИС КМОП.

Рис. 8.19  Принципиальная электрическая схема транзисторного ключа ИС КМОП

 

Она может быть разбита на три части: входной диодно-резистивный ограничитель напряжения; собственно ключ на КМОП-транзисторах; выходная диодная цепь.

Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значения 10¹² Ом. При толщине изоляции между затвором и полупроводником (слой окисла кремния) порядка 50…70 мкм его собственное пробивное напряжения составляет порядка 150…200В. Это предполагает введение в элемент специальной схемы защиты от статического электричества, которое может попасть на его вход в процессе хранения или монтажа. Роль этой схемы выполняет диодно-резистивный ограничитель на элементах VD 1, VD 2, VD 3 и R 1. Данная схема ограничивает напряжение на входе транзисторного ключа в диапазоне от – 0,7 В до U _П + 0,7 В.

Элементы выходной диодной цепи (VD 4, VD 5, VD 6) образованы соответствующими областями самого транзисторного ключа ис точки зрения его работы не являются обязательными. Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на использование элемента. Всегда должно выполняться неравенство | U _вх – U _вых|< U _П. В противном случае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться, закорачивая цепь питания элемента. Последнее обстоятельство может служить причиной пробоя ЛЭ. Поэтому напряжение питания на КМОП-схемы должно всегда подаваться до включения и сниматься после отключения входного информационного сигнала.

Схемотехнически БЛЭ КМОП-типа повторяет схемы nМОП- и  pМОП-типов. Отличие состоит в том, что всегда используются пары транзисторов. При этом для реализации заданной логической функции транзисторы с каналом n -типа включаются последовательно, то парные им транзисторы p -типа включаются параллельно и наоборот. В качестве примера на рис. 8.20 приведены принципиальные электрические схемы, реализующие логические операции 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ. Для упрощения на приведенных схемах не показаны элементы входных и выходных цепей ключа.

 

Рис. 8.20 Принципиальные электрические схемы БЛЭ КМОП-типа, реализующие функции 2И-НЕ (а) и 2ИЛИ-НЕ (б)

 

К особенностям схем БЛЭ следует также отнести отсутствие дополнительного нагрузочного резистора. Его роль выполняет один из транзисторов ключа.

Анализ схемы позволяет сделать важный практический вывод о том, что аналогично БЛЭ ТТЛ для БЛЭ КМОП параллельное включение нескольких их выходов запрещено. Следует также заметить, что КМОП-элементы обладают высокой помехоустойчивостью – до 40% от напряжения питания.

Достоинствами ИМС КМОП являются малая потребляемая мощность и высокая помехозащищенность в сочетании с высоким быстродействием и нагрузочной способностью. Питание таких ИМС производится от источника напряжения +5...+15В.

Разработка первых ИМС КМОП серии CD4000 была выполнена фирмой
RCA в 1968 г. Позднее эта фирма выпустила еще две серии усовершенство-ванных ИМС CD4000A и CD4000B.  Основные серии ИМС КМОП,  их отечественные аналоги и фирмы-разработчики приведены в табл. 8.5.

 

Серии логических ИМС КМОП

Таблица 8.5

Серия ИМС	Аналог	Фирма-работчик	Напряжение питания, В
CD4000	164. 176	RCA	9
CD4000A	561. 564	RCA	3...15
МС14000A	то же	Motorola	то же
CD4000B	КР1561	RCA	3...I8
54НС	1564		2...6

 

По сравнению с ИМС ТТЛ микросхемы КМОП имеют следующие достоинства:

• малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (мощность в
статическом режиме не превышает 1 мкВт);

• большой диапазон  напряжений питания (от 3 до 15 В);

• очень высокое входное сопротивление (больше 1 МОм);

• большая нагрузочная способность (коэффициент разветвления больше 50).

К недостаткам ИМС КМОП относятся:

· большие времена задержки (до 100 нс);

· повышенное выходное сопротивление (до 1 кОм);

· значительный разброс всех параметров.

 

Уровни выходных сигналов зависят от напряжения питания. Уровень логической «1» равен примерно 0,8 Е_пит, а уровень логического «0» - от 0,3 до 2,5 В. Основные характеристики различных серий ИМС КМОП приведены в табл.8.6. Совершенствование технологии КМОП привело в настоящее время к тому, что характеристики наиболее быстродействующих ИМС КМОП серии 54НС практически сравнялись с характеристиками ИМС ТТЛ SN74LS.