Βασικά στοιχεία της λογικής kmop. Τα τσιπ CMOP είναι η ιδανική οικογένεια λογικών κυκλωμάτων

Η συμπληρωματική λογική MOS (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) είναι σήμερα η κύρια στην παραγωγή μεγάλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σετ μικροεπεξεργαστών, μικροελεγκτών, προσωπικών υπολογιστών VLSI και IC μνήμης. Εκτός από τα IC υψηλής ολοκλήρωσης, έχουν παραχθεί αρκετές γενιές σειρών CMOS χαμηλής και μεσαίας ολοκλήρωσης για τη δημιουργία ηλεκτρονικών πλαισίων για LSI και απλά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Βασίζεται στον μετατροπέα που συζητήθηκε προηγουμένως (Εικ. 2.9) σε συμπληρωματικά (αμοιβαία συμπληρωματικά) τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι διαφορετικών τύπων αγωγιμότητας p και n, κατασκευασμένα σε κοινό υπόστρωμα (δεν εμφανίζονται τα κυκλώματα ασφαλείας εισόδου).

Εικόνα 3.8. Λογικά στοιχεία CMOS δύο εισόδων α) NAND, β) NOR

Όπως και στην περίπτωση ενός απλού μετατροπέα, ένα χαρακτηριστικό του LE είναι η παρουσία δύο βαθμίδων τρανζίστορ σε σχέση με τον ακροδέκτη εξόδου. Η λογική λειτουργία που εκτελείται από ολόκληρο το κύκλωμα καθορίζεται από τα τρανζίστορ κατώτερης βαθμίδας. Για την εφαρμογή AND-NOT στη θετική λογική, τα τρανζίστορ με n-κανάλι συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους, με ένα κανάλι p - παράλληλα, και για την υλοποίηση OR-NOT - αντίστροφα (Εικ. 3.8).

Τα μικροκυκλώματα CMOS είναι κοντά σε ιδανικούς διακόπτες: σε στατική λειτουργία δεν καταναλώνουν σχεδόν καθόλου ρεύμα, έχουν υψηλή αντίσταση εισόδου και χαμηλή αντίσταση εισόδου, υψηλή θόρυβο, υψηλή χωρητικότητα φορτίου, καλή σταθερότητα θερμοκρασίας, λειτουργούν σταθερά σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων τροφοδοσίας (από +3 έως + 15 V). Το σήμα εξόδου είναι σχεδόν ίσο με την τάση τροφοδοσίας. Όταν Ep=+5V, διασφαλίζεται η συμβατότητα των λογικών επιπέδων με την τυπική λογική TTL/TTLS. Η οριακή τάση σε οποιαδήποτε τάση τροφοδοσίας είναι ίση με το ήμισυ της τάσης τροφοδοσίας Upore = 0,5 Ep, γεγονός που εξασφαλίζει υψηλή θόρυβο.

Οι λογικές πύλες με μεγάλο αριθμό εισόδων οργανώνονται με παρόμοιο τρόπο. Η ονοματολογία των μικροκυκλωμάτων CMOS περιλαμβάνει LE AND, OR, AND-NOT, NOR-NOT, AND-OR-NOT, με τον αριθμό των εισόδων έως και 8. Μπορείτε να αυξήσετε τον αριθμό των μεταβλητών εισόδου χρησιμοποιώντας πρόσθετα λογικά στοιχεία που ανήκουν στο ίδιο σειρά IC.

Η εγχώρια βιομηχανία παράγει πολλές καθολικές σειρές CMOS: K164, K176, K561, K564, K1561, K1564.

K176 – τυπικό CMOS t z =200 ns, Ipot £100 µA

K564, K561, K1561 – βελτιωμένο CMOS t z =15 ns (15 V), I pot =1-100 μA

K1564 – CMOS υψηλής ταχύτητας (λειτουργικό ανάλογο της σειράς 54HC) t ζ =9-15 ns, Upit=2-6 V, Ipot £10 μA

Τα κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των IC της σειράς K564 (K561) δίνονται παρακάτω:

Τάση τροφοδοσίας U p, V ……………………………..3-15

Κατανάλωση ενέργειας

Σε στατική λειτουργία, μW/περίπτωση …………0.1

Σε f=1 MHz, U p =10 V, C n =50 pf, mW……….20

Επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος. MW/σώμα …..500

Τάση εισόδου, V………………….από -0,5V σε U p + 0,5V

Τάση εξόδου, V

Χαμηλό επίπεδο …………………………… όχι περισσότερο από 0,05 V,

Υψηλό επίπεδο………………όχι λιγότερο από U p + 0,5V

Μέση καθυστέρηση μετάδοσης σήματος σε C n =15 nf

Για U p =+5 V, ns……………………………50

Για U p =+10 V, ns……………………………..20,

Θερμοκρασία λειτουργίας, 0 C

Σειρά 564………………………..από -60 έως +125

Σειρά K561……………………….από -40 έως +85

Εάν η ανάπτυξη της σειράς TTL κατευθύνθηκε κυρίως προς τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, τότε η σειρά CMOS αναπτύχθηκε προς την κατεύθυνση της αύξησης της απόδοσης. Στο τέλος, η τεχνολογία CMOS κέρδισε. Οι επόμενες γενιές τυπικής λογικής παράγονται μόνο χρησιμοποιώντας αυτήν. Έτσι, η δεύτερη γενιά τυπικών λογικών τσιπ παράγεται χρησιμοποιώντας τεχνολογία CMOS, αλλά διατηρεί την πλήρη λειτουργική συμμόρφωση με τη σειρά TTL.

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα λογικής τρανζίστορ-τρανζίστορ είναι μικροσυσκευές με χαμηλό βαθμό ολοκλήρωσης, κατασκευασμένα σε διπολικά τρανζίστορ. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι ο μικρός αριθμός ανά τσιπ, καθώς και η κρισιμότητα της τάσης τροφοδοσίας και η αρκετά μεγάλη κατανάλωση ρεύματος.

Το διάγραμμα ακριβώς παραπάνω δείχνει ένα απλό λογικό στοιχείο - 3Ι - ΟΧΙ. Βασίζεται σε ένα συμβατικό διπολικό τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών VT1. Ένα λογικό μηδενικό επίπεδο στην έξοδο του θα εμφανιστεί εάν υπάρχουν υψηλά επίπεδα και στους τρεις εκπομπούς ταυτόχρονα. Το VT2 αναλαμβάνει τη συνάρτηση αντιστροφής (στοιχείο ΟΧΙ) και ο πολυπομπός VT1 είναι ένα λογικό στοιχείο 3I.

Παρά τα αναφερόμενα μειονεκτήματα, η πιο δημοφιλής σειρά TTL, η K155, είναι εξαιρετικά δημοφιλής σήμερα, δείτε σε πόσα σπιτικά ραδιόφωνα μπορούν να συναρμολογηθούν.

Η σειρά K155 είναι η μεγαλύτερη σειρά TTL. Περιέχει περισσότερες από 100 μικροσυσκευές που εκτελούν διάφορες λογικές λειτουργίες και λειτουργίες (AND, OR, NOT, AND - NOT, OR - NOT, flip-flops, καταχωρητές, μετρητές, αθροιστές.

Το λογικό επίπεδο ενός στα μικροκυκλώματα αυτής της σειράς TTL βρίσκεται στο εύρος τάσης από 2,4 V έως 5 V) και το λογικό μηδενικό επίπεδο δεν είναι μεγαλύτερο από 0,4 V.

Σχεδόν όλες οι μικροσυσκευές αυτής της σειράς παράγονται σε μια τυπική συσκευασία 14 ακίδων. Με μια κουκκίδα ή μια εγκοπή κλειδιού που υποδεικνύει τον πρώτο ακροδέκτη. Η 7η καρφίτσα είναι το σώμα ή το μείον. Το 14 που βρίσκεται απέναντι από το πρώτο είναι ένα συν.

Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη του K155 ήταν η σειρά K555, στην οποία διατηρήθηκε η βασική αρχή TTL, αλλά προστέθηκαν οι συλλεκτικές συνδέσεις των τρανζίστορ. Επομένως, η σειρά K555 ονομάστηκε TTLSH (TTL και δίοδος Schottky). Στο TTLSH, η κατανάλωση ενέργειας μειώθηκε κατά περίπου 2 φορές και η απόδοση αυξήθηκε απότομα.

Τσιπ CMOS

Το γράμμα Κ στην αρχή της συντομογραφίας σημαίνει - συμπληρωματικός. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι το μικροσυγκρότημα χρησιμοποιεί ζεύγη με τις ίδιες παραμέτρους, αλλά το ένα τρανζίστορ έχει πύλη τύπου n και το άλλο, αντίστοιχα, τύπου p. Ονομάζονται επίσης CMOS (Συμπληρωματικός ημιαγωγός μετάλλου-οξειδίου).

Το σχήμα δείχνει ένα παράδειγμα μιας κλασικής βασικής πύλης NOT. Δηλαδή, εάν μια μονάδα έρθει στην είσοδο, τότε η έξοδος θα είναι ένα λογικό μηδέν και το αντίστροφο.

Στοιχείο 2Ι – ΟΧΙ. Από μερικά από αυτά τα λογικά στοιχεία είναι εύκολο να αποκτηθούν, και από πολλά flip-flops - έναν μετρητή, έναν καταχωρητή και μια στοιχειώδη συσκευή αποθήκευσης.

Και τώρα για τη μύγα στην αλοιφή: στη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας, τα στοιχεία CMOS είναι αισθητά κατώτερα από άλλες λογικές που βασίζονται στα διπολικά τρανζίστορ (TTL) και είναι τρομερά ευαίσθητα στον στατικό ηλεκτρισμό.

Μικροκυκλώματα βασισμένα σε δομές KMDP

Τα ψηφιακά IC που βασίζονται σε δομές CMOS χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην ανάπτυξη μιας ποικιλίας ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, για τα οποία υπάρχουν πολύ καλοί λόγοι. Τα IC KMDP είναι εξαιρετικά ευέλικτες και εύκολα χρησιμοποιούμενες συσκευές που έχουν μοναδικές ιδιότητες που δεν είναι τυπικές για άλλες κατηγορίες ψηφιακών IC.

Αυτά τα IC ονομάζονται συμπληρωματικά επειδή κατασκευάζονται με βάση τρανζίστορ CMOS, δηλ. βασίζεται σε ζεύγη τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με τη δομή: μέταλλο - οξείδιο (διηλεκτρικό) - ημιαγωγός, με πολύ παρόμοια χαρακτηριστικά και κανάλια διαφορετικών τύπων αγωγιμότητας. Τα IC που είναι κατασκευασμένα βάσει αυτής της αρχής καταναλώνουν σημαντικά λιγότερη ενέργεια από την πηγή ισχύος από όλα τα άλλα IC και μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα ευρύτερο φάσμα επιπέδων τάσης τροφοδοσίας. Ηλεκτρονικά ρολόγια χειρός και συσκευές αυτοκινήτου, ιατρικές ηλεκτρονικές συσκευές, δέκτες τηλεόρασης, φορητές αριθμομηχανές είναι μερικά μόνο παραδείγματα συσκευών που χρησιμοποιούν IC CMDP.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των ψηφιακών IC που βασίζονται σε δομές CMOS είναι η υψηλή αντίσταση εισόδου των τρανζίστορ (Rin) 10 12 Ohms) και το υψηλό επίπεδο ολοκλήρωσης. Κατά την εφαρμογή παλμικών συσκευών σε ενσωματωμένα λογικά στοιχεία CMOS, η αντίσταση των αντιστάσεων χρονισμού λόγω των υψηλών αντιστάσεων εισόδου των τρανζίστορ δεν περιορίζεται από πάνω, επομένως, για να ληφθούν παλμοί μεγάλης διάρκειας, η ηλεκτρική χωρητικότητα των πυκνωτών χρονισμού δεν πρέπει. να αυξηθεί.

Οι συμπληρωματικές δομές είναι συμπληρωματικά ζεύγη διπολικών (p-n-p και n-p-n) ή MIS (p-channel and n-channel) τρανζίστορ, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση των IC. Κατασκευάζονται σε ένα κοινό υπόστρωμα σε θύλακες που απομονώνονται από το υπόστρωμα είτε με σύνδεση pn είτε με διηλεκτρική μεμβράνη. Τα συμπληρωματικά τρανζίστορ κατασκευάζονται με τη μορφή οριζόντιων και κάθετων δομών.

Στα τρανζίστορ με οριζόντια δομή, ο πομπός, η βάση και ο συλλέκτης βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, έτσι οι μειοψηφικοί φορείς που εγχέονται στη βάση δεν κινούνται κάθετα προς την επιφάνεια του κρυστάλλου, αλλά κατά μήκος του. Τέτοια τρανζίστορ ονομάζονται άκρο (πλευρικά). Στην κατασκευή του άκρου

Τρανζίστορ p-n-p - ο σχηματισμός εκπομπών πραγματοποιείται κατά τη βασική διάχυση των τρανζίστορ n-p-n. Στη συνέχεια, μέσω μιας δεύτερης διάχυσης βάσης, ο πομπός του τρανζίστορ pnp περιβάλλεται από τον συλλέκτη. Η βάση του τρανζίστορ είναι το αρχικό στρώμα του ημιαγωγού τύπου n μεταξύ αυτών των περιοχών. Το πλάτος της βάσης, και επομένως η τιμή του συντελεστή μεταφοράς ρεύματος βάσης, καθορίζονται από την απόσταση μεταξύ των παραθύρων που είναι χαραγμένα στη λειτουργία φωτογραφίας για τον πομπό και τον συλλέκτη.

Σε κάθετες κατασκευές, η βάση βρίσκεται κάτω από τον εκπομπό (οι εγχυόμενοι μειοψηφικοί φορείς κινούνται σε κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια του κρυστάλλου). Και οι τρεις περιοχές του τρανζίστορ pnp (συλλέκτης, βάση και πομπός) σχηματίζονται με διάχυση. Τέτοιες συμπληρωματικές δομές είναι δύσκολο να κατασκευαστούν λόγω των υψηλών απαιτήσεων ακριβείας για τη συγκέντρωση των προσμείξεων. Ωστόσο, τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται με αυτήν την τεχνολογία έχουν μεγαλύτερο συντελεστή μεταφοράς ρεύματος βάσης από τα τρανζίστορ με οριζόντια δομή και υψηλή τάση διάσπασης της διασταύρωσης συλλέκτη.

Τα λογικά επίπεδα των μικροκυκλωμάτων CMOS με τροφοδοσία πέντε βολτ φαίνονται στην Εικ. 9.

Τα όρια του λογικού μηδενός και ενός επιπέδου για μικροκυκλώματα CMOS με τροφοδοσία πέντε βολτ φαίνονται στο Σχ. 10.

Ρύζι. 10. Λογικά επίπεδα σήματος στην είσοδο ψηφιακών μικροκυκλωμάτων CMOS.

Από το Σχήμα 10 μπορεί να φανεί ότι το περιθώριο στα επίπεδα απόκρισης για τη διασφάλιση της ατρωσίας θορύβου για το CMOS είναι περισσότερο από 1,1 V. Αυτό είναι σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο από ό,τι για το TTL.

Όταν η τάση τροφοδοσίας μειώνεται, τα όρια του λογικού μηδέν και του λογικού ενός μετατοπίζονται ανάλογα με τη μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας.

Οικογένειες τσιπ CMOS

Τα πρώτα τσιπ CMOS δεν είχαν διόδους προστασίας στην είσοδο, οπότε η εγκατάστασή τους παρουσίαζε σημαντικές δυσκολίες. Αυτή είναι μια οικογένεια τσιπ της σειράς K172. Η επόμενη βελτιωμένη οικογένεια τσιπ της σειράς K176 έλαβε αυτές τις προστατευτικές διόδους. Είναι αρκετά συνηθισμένο σήμερα. Η σειρά K1561 (το ξένο ανάλογο αυτών των μικροκυκλωμάτων είναι το C4000B) ολοκληρώνει την ανάπτυξη της πρώτης γενιάς μικροκυκλωμάτων CMOS. Σε αυτή την οικογένεια, επιτεύχθηκε ταχύτητα 90ns και εύρος τάσης τροφοδοσίας 3..15V.

Μια περαιτέρω ανάπτυξη των μικροκυκλωμάτων CMOS ήταν η σειρά SN74HC. Αυτά τα μικροκυκλώματα δεν έχουν οικιακό ανάλογο. Έχουν ταχύτητα 27ns και μπορούν να λειτουργήσουν στο εύρος τάσης 2..6V. Συμπίπτουν σε pinout και λειτουργικό εύρος με μικροκυκλώματα TTL, αλλά δεν είναι συμβατά με αυτά σε λογικά επίπεδα, επομένως, ταυτόχρονα, μικροκυκλώματα της σειράς SN74HCT (οικιακό αναλογικό - K1564), συμβατά με μικροκυκλώματα TTL και σε λογικά επίπεδα, ήταν αναπτηγμένος.

Αυτή τη στιγμή, υπήρξε μια μετάβαση σε τροφοδοσία τριών βολτ. Για αυτό αναπτύχθηκαν τσιπ SN74ALVC με χρόνο καθυστέρησης σήματος 5,5ns και εύρος ισχύος 1,65..3.6V. Αυτά τα ίδια μικροκυκλώματα μπορούν να λειτουργούν με τροφοδοτικό 2,5 volt. Ο χρόνος καθυστέρησης του σήματος αυξάνεται στα 9 ns.

Η πιο πολλά υποσχόμενη οικογένεια μικροκυκλωμάτων CMOS θεωρείται η οικογένεια SN74AUC με χρόνο καθυστέρησης σήματος 1,9ns και εύρος ισχύος 0,8..2.7V.

Λογικά ψηφιακά τσιπ συζευγμένα με εκπομπό Γενικές πληροφορίες για το ESL imms

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που βασίζονται στη λογική συζευγμένης εκπομπής (ECL) έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα ως στοιχειώδης βάση για υπολογιστές υψηλής ταχύτητας και ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Τα μικροκυκλώματα που βασίζονται σε ESL έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα που τους παρέχουν πλεονέκτημα έναντι άλλων μικροκυκλωμάτων στην κατασκευή αυτής της κατηγορίας εξοπλισμού:

1. Καλό κύκλωμα και τεχνική πολυπλοκότητα και, κατά συνέπεια, σχετικά χαμηλό κόστος κατασκευής.

Υψηλή απόδοση με μέση κατανάλωση ενέργειας ή εξαιρετικά υψηλή απόδοση με υψηλή κατανάλωση ενέργειας.

Χαμηλή ενέργεια μεταγωγής.

Υψηλή σχετική ανοσία θορύβου.

Υψηλή σταθερότητα δυναμικών παραμέτρων κατά την αλλαγή της θερμοκρασίας λειτουργίας και της τάσης τροφοδοσίας.

Μεγάλη χωρητικότητα φορτίου.

Ανεξαρτησία κατανάλωσης ρεύματος από συχνότητα μεταγωγής.

Η ικανότητα του IC να λειτουργεί σε γραμμές επικοινωνίας και φορτία χαμηλής σύνθετης αντίστασης.

Ευρύ λειτουργικό σύνολο μικροκυκλωμάτων.

10. Εύκολη χρήση σε συνθήκες διάταξης υψηλής πυκνότητας χρησιμοποιώντας τυπωμένη καλωδίωση πολλαπλών στρώσεων και ομοαξονικά και επίπεδα καλώδια χαμηλής σύνθετης αντίστασης.

Επί του παρόντος, τα IC ESL είναι τα ταχύτερα μικροκυκλώματα με βάση το πυρίτιο που παράγονται από τη βιομηχανία τόσο στη χώρα μας όσο και στο εξωτερικό. Η εμπειρία στον σχεδιασμό εξοπλισμού δείχνει ότι η χρήση των IC ESL είναι βέλτιστη για την κατασκευή ραδιοηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ταχύτητας, ιδίως υπολογιστών υψηλής ταχύτητας, και λιγότερο αποτελεσματική στην ανάπτυξη ραδιοηλεκτρονικών συσκευών χαμηλής και μέσης ταχύτητας.

Η υψηλή απόδοση οφείλεται στο γεγονός ότι τα τρανζίστορ σε αυτά τα στοιχεία λειτουργούν σε ακόρεστο τρόπο, με αποτέλεσμα να εξαλείφεται η συσσώρευση και η απορρόφηση των φορέων μειοψηφίας φορτίου.

Δομικά, το βασικό στοιχείο του ESL περιέχει: μια πηγή τάσης αναφοράς (VS), έναν διακόπτη ρεύματος (TS) και οπαδούς εκπομπού.

Ο διακόπτης ρεύματος εισόδου βασίζεται σε ένα κύκλωμα με συνδυασμένους εκπομπούς (Εικ. 11). Τα κύρια πλεονεκτήματά του: σταθερότητα του συνολικού ρεύματος εκπομπού / e = 1 ε 1 + Εγώ e2 στη διαδικασία της εργασίας. διαθεσιμότητα άμεσων και αντίστροφων εξόδων Uέξω 1, Uέξοδος2 .

Ρύζι. 11. Βασικό λογικό στοιχείο ESL

Τα σύγχρονα ψηφιακά μικροκυκλώματα ESL περιλαμβάνουν τη σειρά IC 100, K100, 500, K500, 1500, KI500.

Ο τυπικός χρόνος καθυστέρησης των λογικών στοιχείων του IC της σειράς K1550 είναι 0,7 ns, της σειράς K500 0,5...2 ns. σειρά 138 2,9 ns. Τα μικροκυκλώματα ESL έχουν θόρυβο για επίπεδα χαμηλής και υψηλής τάσης τουλάχιστον 125 mV και 150 mV, η εξάπλωση τάσης εξόδου χαμηλού επιπέδου είναι 145...150 mV, η υψηλή στάθμη είναι 200 ​​mV. Λογικό πλάτος σήματος U μεγάλο έως 800 mV. Στη σειρά IC 500, το επίπεδο ενσωμάτωσης είναι έως και 80 λογικά στοιχεία σε ένα τσιπ. λειτουργικό σύνολο μικροκυκλωμάτων - 48 τροποποιήσεις, ισχύς που καταναλώνεται από το στοιχείο P pot = 8...25 mW (σε κατάσταση χωρίς φορτίο), ενέργεια που καταναλώνεται κατά την εναλλαγή A = 50 pJ.

Το βασικό λογικό στοιχείο του IC K500, λόγω της παρουσίας άμεσων και αντίστροφων εξόδων, εκτελεί ταυτόχρονα δύο λειτουργίες: Ή ΟΧΙΚαι Ή. Στην αρνητική λογική οι συναρτήσεις εκτελούνται Ν/Ο-ΟΧΙ.Το ηλεκτρικό κύκλωμα του βασικού στοιχείου ESL αποτελείται από τρία κυκλώματα (Εικ. 12): έναν διακόπτη ρεύματος (TS), ακολούθους εκπομπού εξόδου (EF) και μια πηγή τάσης αναφοράς (RP).

Ο διακόπτης ρεύματος είναι χτισμένος σε τρανζίστορ VT 1- VT5 και αντιστάσεις R1- R7 και είναι ένας διαφορικός ενισχυτής που λειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού και έχει πολλές εισόδους. Η αύξηση του αριθμού των εισόδων TP επιτυγχάνεται με παράλληλη σύνδεση πρόσθετων τρανζίστορ εισόδου VT 1- VT 4.

Το βασικό LE λειτουργεί ως εξής. Όταν εφαρμόζεται σε όλες τις εισόδους του κυκλώματος XI- Χ4 τρανζίστορ εισόδου χαμηλής τάσης (-1,7 V). VT1- VT4 κλειστό, τρανζίστορ VT5 ανοιχτό γιατί η τάση στη βάση του UΕΠ = -1,3 V παραπάνω.

Η μεγάλη κατανάλωση και η απαγωγή ενέργειας είναι μειονεκτήματα των μικροκυκλωμάτων ESL, που είναι συνέπεια της λειτουργίας τους σε ακόρεστη λειτουργία. Ένα μικρό λογικό διαφορικό, αφενός, αυξάνει την απόδοση και, αφετέρου, μειώνει την ασυλία θορύβου.

Προσοχή! Η σειρά με την οποία προσθέτετε ετικέτες έχει σημασία! Ξεκινήστε να προσθέτετε με τα πιο σημαντικά. Χρησιμοποιήστε υπάρχουσες ετικέτες όποτε είναι δυνατόν

Ψηφιακά μικροκυκλώματα. Είδη λογικής, περιφράξεις

Λοιπόν, πρώτα ας πούμε αυτό: τα μικροκυκλώματα χωρίζονται σε δύο μεγάλους τύπους: αναλογικά και ψηφιακά. Τα αναλογικά μικροκυκλώματα λειτουργούν με αναλογικό σήμα και τα ψηφιακά, αντίστοιχα, με ψηφιακό. Θα μιλήσουμε συγκεκριμένα για ψηφιακά μικροκυκλώματα.

Πιο συγκεκριμένα, δεν θα μιλήσουμε για μικροκυκλώματα, αλλά για στοιχεία ψηφιακής τεχνολογίας που μπορούν να «κρυφτούν» μέσα σε ένα μικροκύκλωμα.

Ποια είναι αυτά τα στοιχεία;

Κάποια ονόματα τα έχετε ακούσει, άλλα ίσως όχι. Αλλά πιστέψτε με, αυτά τα ονόματα μπορούν να προφέρονται δυνατά σε οποιαδήποτε πολιτιστική κοινωνία - αυτές είναι απολύτως αξιοπρεπείς λέξεις. Λοιπόν, μια κατά προσέγγιση λίστα με αυτά που θα μελετήσουμε:

• Πυροδοτήσεις
• μετρητές
• Κρυπτογραφητές
• Αποκωδικοποιητές
• Πολυπλέκτης
• Συγκριτές

Όλα τα ψηφιακά τσιπ λειτουργούν με ψηφιακά σήματα. Τι είναι?

Ψηφιακά σήματα- αυτά είναι σήματα που έχουν δύο σταθερά επίπεδα - το επίπεδο του λογικού μηδέν και το επίπεδο του λογικού ενός. Για μικροκυκλώματα που κατασκευάζονται με χρήση διαφορετικών τεχνολογιών, τα λογικά επίπεδα ενδέχεται να διαφέρουν μεταξύ τους.

Επί του παρόντος, οι δύο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες είναι η TTL και η CMOS.

TTL– Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ.
CMOS– Συμπληρωματικό Μέταλλο-Οξείδιο-Ημιαγωγό.

Το TTL έχει μηδενικό επίπεδο 0,4 V και επίπεδο μονάδας 2,4 V.
Για τη λογική CMOS, το μηδενικό επίπεδο είναι πολύ κοντά στο μηδέν βολτ, το ένα επίπεδο είναι περίπου ίσο με την τάση τροφοδοσίας.

Σε κάθε περίπτωση, ένα είναι όταν η τάση είναι υψηλή, μηδέν όταν είναι χαμηλή.

ΑΛΛΑ!Η μηδενική τάση στην έξοδο του μικροκυκλώματος δεν σημαίνει ότι η έξοδος "κρέμεται στον αέρα". Στην πραγματικότητα, απλά συνδέεται με το κοινό καλώδιο. Επομένως, δεν μπορείτε να συνδέσετε απευθείας πολλά λογικά συμπεράσματα: εάν έχουν διαφορετικά επίπεδα, θα προκύψει βραχυκύκλωμα.

Εκτός από τις διαφορές στα επίπεδα σήματος, οι λογικοί τύποι διαφέρουν επίσης στην κατανάλωση ενέργειας, την ταχύτητα (μέγιστη συχνότητα), τη χωρητικότητα φορτίου κ.λπ.

Ο τύπος της λογικής μπορεί να αναγνωριστεί από το όνομα του τσιπ. Πιο συγκεκριμένα, με τα πρώτα γράμματα του ονόματος, που δείχνουν σε ποια σειρά ανήκει το μικροκύκλωμα. Σε οποιαδήποτε σειρά ενδέχεται να υπάρχουν μικροκυκλώματα που παράγονται χρησιμοποιώντας μόνο μία τεχνολογία. Για να διευκολύνετε την πλοήγησή σας, ακολουθεί ένας μικρός συνοπτικός πίνακας:

	TTL	TTLSH	CMOS	Bastroaction. CMOS	ESL
Επεξήγηση του ονόματος	Τρανζίστορ-Τρανζίστορ Λογική	TTL με δίοδο Schottky	Συμπληρωματικός ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου		Emitter Matched Logic
Κύρια σειρά της πατρίδας. μικροκυκλώματα	Κ155 Κ131	Κ555 Κ531 KR1533	Κ561 Κ176	KR1554 KR1564	Κ500 1500 KR
Σειρά αστικών μικροκυκλωμάτων	74	74 LS 74ALS	CD40 H 4000	74 AC 74 HC	MC10 F100
Καθυστέρηση διάδοσης, nS	10…30	4…20	15…50	3,5..5	0,5…2
Μέγιστη. συχνότητα, MHz	15	50..70	1…5	50…150	300…500
Τάση τροφοδοσίας, V	5 ±0,5	5 ±0,5	3...15	2...6	-5,2 ±0,5
Κατανάλωση ρεύματος (χωρίς φορτίο), mA	20	4...40	0,002...0,1	0,002...0,1	0,4
Αρχείο καταγραφής επιπέδου.0, V	0,4	0,5	< 0,1	< 0,1	-1,65
Αρχείο καταγραφής επιπέδου. 1, V	2,4	2,7	~U λάκκο	~U λάκκο	-0,96
Μέγιστη. ρεύμα εξόδου, mA	16	20	0,5	75	40

Οι πιο συνηθισμένες σειρές σήμερα (και τα εισαγόμενα ανάλογα τους):

• TTLSH – K555, K1533
• CMOS – KR561, KR1554, KR1564
• ESL – K1500

Ο τύπος της λογικής επιλέγεται κυρίως με βάση τις ακόλουθες εκτιμήσεις:

Ταχύτητα (συχνότητα λειτουργίας)
- Κατανάλωση ενέργειας
- τιμή

Αλλά υπάρχουν περιπτώσεις όπου ένας τύπος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Για παράδειγμα, το ένα μπλοκ πρέπει να έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και το άλλο πρέπει να έχει υψηλή ταχύτητα. Τα τσιπ τεχνολογίας CMOS έχουν χαμηλή κατανάλωση. Το ESL έχει υψηλή ταχύτητα.

Σε αυτήν την περίπτωση, θα χρειαστεί να εγκαταστήσετε μετατροπείς επιπέδου.

Είναι αλήθεια ότι ορισμένοι τύποι ταιριάζουν μεταξύ τους κανονικά χωρίς μετατροπείς. Για παράδειγμα, ένα σήμα από την έξοδο ενός μικροκυκλώματος CMOS μπορεί να εφαρμοστεί στην είσοδο ενός μικροκυκλώματος TTL (με την προϋπόθεση ότι οι τάσεις τροφοδοσίας τους είναι οι ίδιες). Ωστόσο, δεν συνιστάται η αποστολή σήματος προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή από το TTL στο CMOS.

Τα μικροκυκλώματα διατίθενται σε διάφορες συσκευασίες. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι περιβλημάτων είναι:

ΒΟΥΤΙΑ
(Διπλό Ενσωματωμένο Πακέτο)

Μια συνηθισμένη «κατσαρίδα». Εισάγουμε τα πόδια στις τρύπες της σανίδας και τα κολλάμε.

Τα πόδια στο σώμα μπορεί να είναι 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 ή 56.

Η απόσταση μεταξύ των ακροδεκτών (βήμα) είναι 2,5 mm (εγχώριο πρότυπο) ή 2,54 mm (για αστούς).

Πλάτος καλωδίου περίπου 0,5 mm

Η αρίθμηση των ακροδεκτών φαίνεται στο σχήμα (κάτοψη). Για να προσδιορίσετε τη θέση του πρώτου ποδιού, πρέπει να βρείτε ένα "κλειδί" στο σώμα.

SOIC
(Ολοκληρωμένο κύκλωμα μικρού περιγράμματος)

Επίπεδο μικροκύκλωμα - δηλαδή, τα πόδια είναι συγκολλημένα στην ίδια πλευρά της πλακέτας όπου βρίσκεται το σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, το μικροκύκλωμα βρίσκεται στην κοιλιά του στην πλακέτα.

Ο αριθμός των ποδιών και η αρίθμησή τους είναι ο ίδιος όπως για το DIP.

Το βήμα του μολύβδου είναι 1,25 mm (οικιακό) ή 1,27 mm (αστικό).

Πλάτος καλωδίου – 0,33...0,51

PLCC
(Πλαστικός φορέας τσιπ με μόλυβδο J)

Τετράγωνο (λιγότερο συχνά ορθογώνιο) σώμα. Τα πόδια βρίσκονται και στις τέσσερις πλευρές, και έχουν σχήμα J (τα άκρα των ποδιών είναι λυγισμένα κάτω από την κοιλιά).

Τα μικροκυκλώματα είτε συγκολλούνται απευθείας στην πλακέτα (επίπεδη) είτε εισάγονται στην υποδοχή. Το τελευταίο είναι προτιμότερο.

Αριθμός ποδιών – 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84.

Βήμα ποδιού – 1,27 mm

Πλάτος καλωδίου – 0,66...0,82

Αρίθμηση καρφίτσας - το πρώτο σκέλος κοντά στο κλειδί, αυξάνοντας τον αριθμό αριστερόστροφα:

Τι γνώμη έχετε για αυτό το άρθρο;

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ας μιλήσουμε για τα χαρακτηριστικά μιας ιδανικής οικογένειας λογικών τσιπ. Δεν πρέπει να καταναλώνουν ισχύ, να έχουν μηδενική καθυστέρηση μετάδοσης, ελεγχόμενους χρόνους ανόδου και πτώσης σήματος και να έχουν θόρυβο ισοδύναμη με το 50% της αιώρησης του σήματος εξόδου.

Οι παράμετροι των σύγχρονων οικογενειών τσιπ CMOS (συμπληρωματικό MOS) πλησιάζουν αυτά τα ιδανικά χαρακτηριστικά.

Πρώτον, τα τσιπ CMOS διαχέουν χαμηλή ισχύ. Η τυπική διαρροή στατικής ισχύος είναι της τάξης των 10 nV ανά βαλβίδα, η οποία δημιουργείται από ρεύματα διαρροής. Η ενεργή (ή δυναμική) διασπορά ισχύος εξαρτάται από την τάση τροφοδοσίας, τη συχνότητα, το φορτίο εξόδου και τον χρόνο ανύψωσης εισόδου, αλλά η τυπική της τιμή για μια μεμονωμένη πύλη σε συχνότητα 1 MHz και φορτίο 50 pF δεν υπερβαίνει τα 10 mW.

Δεύτερον, ο χρόνος καθυστέρησης μετάδοσης του σήματος στις πύλες CMOS, αν και δεν είναι μηδενικός, είναι αρκετά μικρός. Ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας, η καθυστέρηση μετάδοσης του σήματος για ένα τυπικό στοιχείο κυμαίνεται από 25 έως 50 ns.

Τρίτον, οι χρόνοι ανόδου και πτώσης ελέγχονται και αντιπροσωπεύουν γραμμικές και όχι βηματικές συναρτήσεις. Συνήθως οι χρόνοι ανόδου και πτώσης είναι 20-40% μεγαλύτεροι από τον χρόνο καθυστέρησης διάδοσης.

Τέλος, μια τυπική τιμή θορύβου προσεγγίζει το 50% και είναι περίπου το 45% του εύρους του σήματος εξόδου.

Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας υπέρ των τσιπ CMOS είναι το χαμηλό τους κόστος, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται σε φορητό εξοπλισμό που τροφοδοτείται από μπαταρίες χαμηλής ισχύος.

Τα τροφοδοτικά σε συστήματα που είναι κατασκευασμένα σε τσιπ CMOS μπορεί να είναι χαμηλής κατανάλωσης και, ως εκ τούτου, φθηνά. Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, το υποσύστημα ισχύος μπορεί να είναι απλούστερο και επομένως φθηνότερο. Δεν χρειάζονται καλοριφέρ και ανεμιστήρες λόγω χαμηλής απαγωγής ισχύος. Η συνεχής βελτίωση των τεχνολογικών διαδικασιών, καθώς και η αύξηση των όγκων παραγωγής και η επέκταση της γκάμας των κατασκευασμένων μικροκυκλωμάτων CMOS οδηγεί σε μείωση του κόστους τους.

Υπάρχουν πολλές σειρές λογικών τσιπ CMOS. Η πρώτη από αυτές ήταν η σειρά K176, στη συνέχεια K561 (CD4000AN) και KR1561 (CD4000BN), αλλά η λειτουργική σειρά έλαβε τη μεγαλύτερη ανάπτυξη στις σειρές KR1554 (74ACxx), KR1564 (74HCxx) και KR1594 (74ACTxx).

Οι λειτουργικές σειρές σύγχρονων μικροκυκλωμάτων CMOS των σειρών KR1554, KR1564 και KR1594 περιέχουν ισοδύναμα πλήρους λειτουργίας των μικροκυκλωμάτων της σειράς TTLSH KR1533 (74ALS) και K555 (74LS), τα οποία συμπίπτουν πλήρως και στις λειτουργίες που εκτελούνται με την ακίδα. Τα σύγχρονα μικροκυκλώματα CMOS, σε σύγκριση με τα πρωτότυπά τους, τις σειρές K176 και K561, καταναλώνουν σημαντικά λιγότερη δυναμική ισχύ και είναι πολλές φορές πιο γρήγορα σε απόδοση.

Για να απλοποιηθούν οι λύσεις κυκλωμάτων, έχουν αναπτυχθεί σειρές CMOS με κατώφλι τάσης εισόδου επιπέδων TTL (KR1594 και μερικά άλλα) και επίπεδα CMOS (KR1554, KR1564 και μερικά άλλα). Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας για μικροκυκλώματα γενικής χρήσης είναι -40-+85C και -55-+125C για ειδικές εφαρμογές. Στον πίνακα Το σχήμα 1 δείχνει μια σύγκριση των χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου των μικροκυκλωμάτων CMOS και TTLSH.

Πίνακας 1. Σύγκριση ηλεκτρικών παραμέτρων κυκλωμάτων CMOS και TTL

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ	CMOS με πύλη PCC	Βελτιωμένο CMOS με πύλη PCC	CMOS με μεταλλική πόρτα	Πρότυπο	TTLSH χαμηλής κατανάλωσης	Βελτιωμένο TTLSh χαμηλής κατανάλωσης	ΓΡΗΓΟΡΗ αντίδραση TTLSH
Διαρροή ισχύος ανά πύλη (mW)
Στατικός
Στα 100 kHz
Χρόνος καθυστέρησης διάδοσης (ns) (CL = 15 pF)
Μέγιστη συχνότητα ρολογιού (MHz) (CL = 15 pF)
Ελάχιστο ρεύμα εξόδου (mA)
Τυπικές έξοδοι
Αναλογία ανεμιστήρα εξόδου (Φορτίο ανά είσοδο K555)
Τυπικές έξοδοι
Έξοδοι με αυξημένη χωρητικότητα φορτίου
Μέγιστο ρεύμα εισόδου, IIL (mA) (VI = 0,4 V)

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ CMOS

Ο σκοπός αυτής της ενότητας είναι να παράσχει στον σχεδιαστή του συστήματος τις απαραίτητες γνώσεις για το πώς λειτουργούν και συμπεριφέρονται τα ψηφιακά IC CMOS όταν εκτίθενται σε διάφορα σήματα ελέγχου. Πολλά έχουν γραφτεί για τη σχεδίαση και την τεχνολογία παραγωγής των μικροκυκλωμάτων CMOS, επομένως εδώ θα εξετάσουμε μόνο τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού κυκλωμάτων των μικροκυκλωμάτων αυτής της οικογένειας.

Το βασικό κύκλωμα CMOS είναι ο μετατροπέας που φαίνεται στο Σχ. 1. Αποτελείται από δύο τρανζίστορ φαινομένου πεδίου που λειτουργούν σε λειτουργία εμπλουτισμού: με κανάλι τύπου P (πάνω) και κανάλι τύπου Ν (κάτω). Οι ακροδέκτες ισχύος χαρακτηρίζονται ως εξής: VDD ή VCC για τον θετικό ακροδέκτη και VSS ή GND για τον αρνητικό ακροδέκτη. Οι ονομασίες VDD και VCC δανείζονται από συμβατικά κυκλώματα MOS και συμβολίζουν την πηγή και την τροφοδοσία αποστράγγισης των τρανζίστορ. Δεν εφαρμόζονται απευθείας σε κυκλώματα CMOS, αφού οι ακίδες ισχύος είναι οι πηγές και των δύο συμπληρωματικών τρανζίστορ. Οι ονομασίες VSS ή GND δανείζονται από κυκλώματα TTL και αυτή η ορολογία διατηρείται για τα τσιπ CMOS. Στη συνέχεια, θα υποδεικνύονται οι ονομασίες VCC και GND.

Τα λογικά επίπεδα σε ένα σύστημα CMOS είναι VCC (λογικό «1») και GND (λογικό «0»). Επειδή το ρεύμα που ρέει στο "on" MOSFET δεν δημιουργεί ουσιαστικά πτώση τάσης σε αυτό, και επειδή η αντίσταση εισόδου της πύλης CMOS είναι πολύ υψηλή (το χαρακτηριστικό εισόδου του MOSFET είναι κυρίως χωρητικό και μοιάζει με το χαρακτηριστικό ρεύματος τάσης του ένα MOSFET 1012 Ohm, που διακλαδίζεται από έναν πυκνωτή 5 pF), τότε τα λογικά επίπεδα στο σύστημα CMOS θα είναι σχεδόν ίσα με την τάση του τροφοδοτικού.

Τώρα ας δούμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες των MOSFET για να έχουμε μια ιδέα για το πώς θα αλλάξουν οι χρόνοι ανόδου και πτώσης, οι καθυστερήσεις διάδοσης και η απαγωγή ισχύος με την αλλαγή της τάσης τροφοδοσίας και της χωρητικότητας φορτίου.

Στο Σχ. Το Σχήμα 2 δείχνει χαρακτηριστικές καμπύλες των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου Ν-καναλιού και καναλιών Ρ που λειτουργούν σε λειτουργία εμπλουτισμού.

Από αυτά τα χαρακτηριστικά προκύπτουν ορισμένα σημαντικά συμπεράσματα. Εξετάστε την καμπύλη για ένα τρανζίστορ καναλιού Ν με τάση Gate-Source ίση με VGS = 15 V. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για μια σταθερή τάση ελέγχου VGS, το τρανζίστορ συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος για τιμές VDS (Drain- τάση πηγής) μεγαλύτερη από VGS-VT (VT είναι η οριακή τάση του MOSFET). Για τιμές VDS μικρότερες από VGS-VT, το τρανζίστορ συμπεριφέρεται ουσιαστικά σαν αντίσταση.

Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι για μικρότερες τιμές VGS οι καμπύλες είναι παρόμοιες, εκτός από το ότι η τιμή IDS είναι πολύ μικρότερη και, στην πραγματικότητα, το IDS αυξάνεται με το τετράγωνο του VGS. Το τρανζίστορ του καναλιού P έχει σχεδόν πανομοιότυπα, αλλά συμπληρωματικά (συμπληρωματικά) χαρακτηριστικά.

Στην περίπτωση οδήγησης χωρητικού φορτίου με χρήση στοιχείων CMOS, η αρχική αλλαγή της τάσης που εφαρμόζεται στο φορτίο θα είναι γραμμική, λόγω του χαρακτηριστικού «ρεύματος» στο αρχικό τμήμα, που προκύπτει με στρογγυλοποίηση του κυρίαρχου ωμικού χαρακτηριστικού όταν η τιμή VDS διαφέρει λίγο από το μηδέν. Σε σχέση με τον απλούστερο μετατροπέα CMOS που φαίνεται στο Σχ. 1, καθώς το VDS μειώνεται στο μηδέν, η τάση εξόδου VOUT θα τείνει σε VCC ή GND, ανάλογα με το αν το τρανζίστορ είναι καναλιού P ή Ν.

Εάν το VCC, και επομένως το VGS, αυξηθεί, ο μετατροπέας πρέπει να αναπτύξει μεγαλύτερο πλάτος τάσης στον πυκνωτή. Ωστόσο, για την ίδια αύξηση τάσης, η χωρητικότητα φορτίου του IDS αυξάνεται απότομα όσο το τετράγωνο του VGS, και επομένως οι χρόνοι ανόδου και οι καθυστερήσεις διάδοσης που φαίνονται στο Σχήμα. 3, μείωση.

Έτσι, μπορεί να φανεί ότι για ένα δεδομένο σχέδιο, και επομένως μια σταθερή τιμή χωρητικότητας φορτίου, η αύξηση της τάσης τροφοδοσίας θα αυξήσει την απόδοση του συστήματος. Η αύξηση του VCC θα αυξήσει την απόδοση, αλλά και τη διαρροή ισχύος. Αυτό ισχύει για δύο λόγους. Πρώτον, το προϊόν CV2f, και επομένως η ισχύς, αυξάνεται. Αυτή είναι η ισχύς που καταναλώνεται σε ένα κύκλωμα CMOS ή σε οποιοδήποτε παρόμοιο κύκλωμα για τον λόγο που αναφέρθηκε παραπάνω, όταν οδηγείτε ένα χωρητικό φορτίο.

Για καθορισμένες τιμές χωρητικότητας φορτίου και συχνότητας μεταγωγής, η απαγωγή ισχύος αυξάνεται ανάλογα με το τετράγωνο της πτώσης τάσης σε όλο το φορτίο.

Ο δεύτερος λόγος είναι ότι το προϊόν VI ή η ισχύς που καταναλώνεται σε ένα κύκλωμα CMOS αυξάνεται καθώς αυξάνεται η τάση τροφοδοσίας VCC (για VCC>2VT). Κάθε φορά που το κύκλωμα αλλάζει από τη μια κατάσταση στην άλλη, υπάρχει ένα στιγμιαίο διαμπερές ρεύμα που ρέει από το VCC στο GND μέσω δύο τρανζίστορ εξόδου ταυτόχρονα ανοιχτής.

Εφόσον οι τάσεις κατωφλίου των τρανζίστορ δεν αλλάζουν με την αύξηση του VCC, το εύρος της τάσης εισόδου εντός του οποίου το άνω και το κάτω τρανζίστορ βρίσκονται ταυτόχρονα σε αγώγιμη κατάσταση αυξάνεται με την αύξηση του VCC. Ταυτόχρονα, μια μεγαλύτερη τιμή VCC παρέχει μεγαλύτερες τιμές των τάσεων ελέγχου VGS, οι οποίες επίσης οδηγούν σε αύξηση των ρευμάτων JDS. Εξαιτίας αυτού, εάν ο χρόνος ανόδου του σήματος εισόδου ήταν μηδέν, τότε δεν θα υπήρχε ρεύμα μέσω των τρανζίστορ εξόδου από το VCC στο GND. Αυτά τα ρεύματα προκύπτουν επειδή τα άκρα του σήματος εισόδου έχουν πεπερασμένους μικρούς χρόνους ανόδου και πτώσης, και επομένως η τάση εισόδου απαιτεί έναν ορισμένο πεπερασμένο χρόνο για να περάσει μέσα από το εύρος στο οποίο τα δύο τρανζίστορ εξόδου ενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Προφανώς, οι χρόνοι ανόδου και πτώσης των άκρων του σήματος εισόδου θα πρέπει να είναι ελάχιστοι για να μειωθεί η απαγωγή ισχύος.

Ας ρίξουμε μια ματιά στα χαρακτηριστικά μεταφοράς (Εικ. 5) και πώς αλλάζουν με την τάση τροφοδοσίας VCC. Ας συμφωνήσουμε να υποθέσουμε ότι και τα δύο τρανζίστορ στον απλούστερο μετατροπέα μας έχουν πανομοιότυπα, αλλά συμπληρωματικά χαρακτηριστικά και τάσεις κατωφλίου. Ας υποθέσουμε ότι οι τάσεις κατωφλίου, VT, είναι 2V. Εάν το VCC είναι μικρότερο από την οριακή τάση 2V, κανένα από τα τρανζίστορ δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί και το κύκλωμα δεν θα λειτουργήσει. Στο Σχ. Το σχήμα 5α δείχνει μια κατάσταση όπου η τάση τροφοδοσίας ταιριάζει ακριβώς με την τάση κατωφλίου. Σε αυτή την περίπτωση, το κύκλωμα θα πρέπει να λειτουργεί με υστέρηση 100%. Ωστόσο, αυτό δεν είναι ακριβώς υστέρηση, καθώς και τα δύο τρανζίστορ εξόδου είναι απενεργοποιημένα και η τάση εξόδου διατηρείται στις χωρητικότητες της πύλης κατάντη των κυκλωμάτων. Εάν το VCC είναι εντός μιας και δύο τάσεων κατωφλίου (Εικ. 5β), η ποσότητα της «υστέρησης» μειώνεται καθώς το VCC πλησιάζει μια τιμή ισοδύναμη με 2 VT (Εικ. 5γ). Σε μια τάση VCC ισοδύναμη με δύο τάσεις κατωφλίου, δεν υπάρχει «υστέρηση». Επίσης, δεν υπάρχει ρεύμα μέσω δύο τρανζίστορ εξόδου ταυτόχρονα ανοιχτής κατά τη διάρκεια των ροπών μεταγωγής. Όταν η τιμή VCC υπερβαίνει τις δύο τάσεις κατωφλίου, οι χαρακτηριστικές καμπύλες μεταφοράς αρχίζουν να στρογγυλοποιούνται (Εικ. 5δ). Όταν το VIN διέρχεται από μια περιοχή όπου και τα δύο τρανζίστορ είναι ανοιχτά, π.χ. στην αγώγιμη κατάσταση, τα ρεύματα που ρέουν στα κανάλια των τρανζίστορ δημιουργούν πτώσεις τάσης, δίνοντας στρογγυλοποίηση των χαρακτηριστικών.

Κατά την αναθεώρηση ενός συστήματος CMOS για θόρυβο, υπάρχουν τουλάχιστον δύο χαρακτηριστικά που πρέπει να λάβετε υπόψη: η ασυλία θορύβου και το περιθώριο θορύβου.

Τα σύγχρονα κυκλώματα CMOS έχουν τυπική τιμή θορύβου 0,45 VCC. Αυτό σημαίνει ότι ένα ψευδές σήμα εισόδου ίσο με 0,45 VCC ή λιγότερο διαφορετικό από το VCC ή το GND δεν θα διαδοθεί μέσω του συστήματος ως ελαττωματικό λογικό επίπεδο. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα εμφανιστεί σήμα στην έξοδο του πρώτου κυκλώματος. Στην πραγματικότητα, ως αποτέλεσμα της έκθεσης στο σήμα παρεμβολής, ένα σήμα εξόδου θα εμφανιστεί στην έξοδο, αλλά θα εξασθενήσει σε πλάτος. Καθώς αυτό το σήμα διαδίδεται μέσω του συστήματος, θα εξασθενήσει περαιτέρω από τα επόμενα κυκλώματα μέχρι να εξαφανιστεί εντελώς. Τυπικά, ένα τέτοιο σήμα δεν αλλάζει την κατάσταση εξόδου του λογικού στοιχείου. Σε ένα συμβατικό flip-flop, ένας ψευδής παλμός ρολογιού εισόδου με πλάτος 0,45 VCC δεν θα αλλάξει την κατάστασή του.

Ο κατασκευαστής του τσιπ CMOS εγγυάται επίσης ένα περιθώριο θορύβου 1 Volt σε όλο το εύρος των τάσεων τροφοδοσίας και των θερμοκρασιών και για οποιονδήποτε συνδυασμό εισόδων. Αυτό είναι απλώς μια απόκλιση του χαρακτηριστικού θορύβου, για το οποίο είναι εγγυημένο ένα ειδικό σύνολο τάσεων εισόδου και εξόδου. Με άλλα λόγια, από αυτό το χαρακτηριστικό προκύπτει ότι για να είναι το σήμα εξόδου του κυκλώματος, εκφρασμένο σε Volt, εντός 0,1 VCC της τιμής του αντίστοιχου λογικού επιπέδου («μηδέν» ή «ένα»), το σήμα εισόδου δεν πρέπει να υπερβαίνει την τιμή 0. 1VCC συν 1 Volt πάνω από το επίπεδο του εδάφους ή κάτω από το επίπεδο ισχύος. Γραφικά αυτή η κατάσταση φαίνεται στο Σχ. 4.

Αυτά τα χαρακτηριστικά μοιάζουν πολύ με το περιθώριο θορύβου των τυπικών κυκλωμάτων TTL, το οποίο είναι 0,4 V (Εικ. 6). Για να συμπληρώσουμε την εικόνα της εξάρτησης της τάσης εξόδου VOUT από το VIN εισόδου, παρουσιάζουμε τις καμπύλες χαρακτηριστικών μεταφοράς (Εικ. 5).

ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Αυτή η ενότητα εξετάζει διάφορες καταστάσεις που προκύπτουν κατά την ανάπτυξη του συστήματος: αχρησιμοποίητες είσοδοι, παράλληλη σύνδεση στοιχείων για αύξηση της χωρητικότητας φόρτωσης, καλωδίωση διαύλων δεδομένων, συντονισμός με λογικά στοιχεία άλλων οικογενειών.

ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΕΣ ΕΙΣΟΔΟΙ

Με απλά λόγια, οι αχρησιμοποίητες είσοδοι δεν πρέπει να μένουν ασύνδετες. Λόγω της πολύ υψηλής αντίστασης εισόδου (1012 ohms), η αιωρούμενη είσοδος μπορεί να μετακινηθεί μεταξύ λογικού μηδέν και λογικής μίας, δημιουργώντας απρόβλεπτη συμπεριφορά εξόδου κυκλώματος και συναφή προβλήματα συστήματος. Όλες οι αχρησιμοποίητες είσοδοι πρέπει να συνδέονται στο δίαυλο τροφοδοσίας, στο "κοινό" καλώδιο ή σε άλλη χρησιμοποιήσιμη είσοδο. Η επιλογή δεν είναι καθόλου τυχαία, αφού θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η πιθανή επίδραση στην ικανότητα φορτίου εξόδου του κυκλώματος. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, μια πύλη 4NAND τεσσάρων εισόδων που χρησιμοποιείται ως λογική πύλη 2NAND δύο εισόδων. Η εσωτερική του δομή φαίνεται στο Σχ. 7. Έστω οι είσοδοι Α και Β αχρησιμοποίητες είσοδοι.

Εάν οι αχρησιμοποίητες είσοδοι πρόκειται να συνδεθούν σε ένα σταθερό επίπεδο λογικής, τότε οι είσοδοι Α και Β πρέπει να συνδεθούν στη ράγα ισχύος για να μπορέσουν να λειτουργήσουν οι υπόλοιπες είσοδοι. Αυτό θα ενεργοποιήσει τα κάτω τρανζίστορ Α και Β και θα απενεργοποιήσει τα αντίστοιχα άνω τρανζίστορ Α και Β Σε αυτή την περίπτωση, δεν μπορούν να ενεργοποιηθούν περισσότερα από δύο τρανζίστορ την ίδια στιγμή. Ωστόσο, εάν οι είσοδοι A και B συνδέονται στην είσοδο C, η χωρητικότητα εισόδου τριπλασιάζεται, αλλά κάθε φορά που η είσοδος C πηγαίνει στο λογικό μηδέν, τα επάνω τρανζίστορ A, B και C ενεργοποιούνται, τριπλασιάζοντας το μέγιστο ρεύμα εξόδου στο λογικό ένα. Εάν η είσοδος D λάβει επίσης ένα λογικό μηδενικό επίπεδο, και τα τέσσερα άνω τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένα. Έτσι, η σύνδεση αχρησιμοποίητων εισόδων ενός στοιχείου NAND στο δίαυλο ισχύος (Ή-ΟΧΙ στο "κοινό" καλώδιο) θα τις ενεργοποιήσει, αλλά η σύνδεση αχρησιμοποίητων εισόδων σε άλλες χρησιμοποιημένες εισόδους εγγυάται αύξηση του ρεύματος ροής εξόδου του λογικού "ένα". " επίπεδο, στην περίπτωση στοιχείου AND-NOT (ή του εισερχόμενου ρεύματος εξόδου στο επίπεδο του λογικού "μηδέν", στην περίπτωση στοιχείου OR-NOT).

Για τρανζίστορ συνδεδεμένα σε σειρά, το ρεύμα εξόδου δεν αυξάνεται. Δεδομένης αυτής της περίστασης, ένα λογικό στοιχείο πολλαπλών εισόδων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον άμεσο έλεγχο ενός ισχυρού φορτίου, για παράδειγμα, ενός πηνίου ρελέ ή μιας λάμπας πυρακτώσεως.

ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Ανάλογα με τον τύπο του λογικού στοιχείου, ο συνδυασμός εισόδων εγγυάται αύξηση της χωρητικότητας φορτίου είτε για τα ρεύματα διαρροής είτε για τα ρεύματα βύθισης, αλλά όχι και για τα δύο ταυτόχρονα. Για να εξασφαλιστεί η αύξηση των δύο ρευμάτων εξόδου, είναι απαραίτητο να συνδέσετε πολλά λογικά στοιχεία παράλληλα (Εικ. 8). Σε αυτή την περίπτωση, μια αύξηση της χωρητικότητας φορτίου επιτυγχάνεται με τη σύνδεση πολλών αλυσίδων τρανζίστορ παράλληλα (Εικ. 7), αυξάνοντας έτσι το αντίστοιχο ρεύμα εξόδου.

ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΔΕΟΜΕΝΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για να γίνει αυτό. Η πρώτη μέθοδος είναι μια παράλληλη σύνδεση συμβατικών στοιχείων buffer CMOS (για παράδειγμα,). Και η δεύτερη, πιο προτιμώμενη μέθοδος είναι η σύνδεση στοιχείων με τρεις καταστάσεις εξόδου.

ΦΙΛΤΡΟΥ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ

Δεδομένου ότι τα κυκλώματα CMOS μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων τροφοδοσίας (3-15 V), απαιτείται ελάχιστο φιλτράρισμα. Η ελάχιστη τιμή τάσης τροφοδοσίας καθορίζεται από τη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του ταχύτερου στοιχείου στο σύστημα (συνήθως ένα πολύ μικρό μέρος του συστήματος λειτουργεί στη μέγιστη συχνότητα). Τα φίλτρα πρέπει να επιλέγονται για να διατηρούν την τάση τροφοδοσίας περίπου στο μέσον της διαδρομής μεταξύ της καθορισμένης ελάχιστης τιμής και της μέγιστης τάσης στην οποία τα μικροκυκλώματα εξακολουθούν να λειτουργούν. Ωστόσο, εάν πρόκειται να ελαχιστοποιηθεί η απαγωγή ισχύος, η τάση τροφοδοσίας πρέπει να επιλέγεται όσο το δυνατόν χαμηλότερη, ενώ εξακολουθεί να πληροί τις απαιτήσεις απόδοσης.

ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΚΟΠΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση ισχύος του συστήματος, πρέπει να λειτουργεί με ελάχιστη ταχύτητα, εκτελώντας την εργασία με ελάχιστη τάση τροφοδοσίας. Οι στιγμιαίες τιμές της δυναμικής (AC) και της στατικής (DC) κατανάλωσης ενέργειας αυξάνονται, τόσο με την αύξηση της συχνότητας όσο και της τάσης της πηγής ισχύος. Η δυναμική κατανάλωση ενέργειας (AC) είναι συνάρτηση του προϊόντος CV2f. Αυτή είναι η ισχύς που καταναλώνεται στο στοιχείο προσωρινής αποθήκευσης που οδηγεί το χωρητικό φορτίο.

Είναι προφανές ότι η δυναμική κατανάλωση ρεύματος αυξάνεται σε ευθεία αναλογία με τη συχνότητα και είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης τροφοδοσίας. Αυξάνεται επίσης με την χωρητικότητα φορτίου, η οποία καθορίζεται κυρίως από το σύστημα και δεν είναι μεταβλητή. Η κατανάλωση στατικής ισχύος (DC) διαχέεται στις στιγμές μεταγωγής και είναι το γινόμενο του VI. Σε οποιοδήποτε στοιχείο CMOS, ένα στιγμιαίο ρεύμα προκύπτει από το δίαυλο ισχύος προς το «κοινό» καλώδιο (σε VCC>2VT) Εικ. 9.

Το μέγιστο εύρος ρεύματος είναι μια ταχέως αυξανόμενη συνάρτηση της τάσης εισόδου, η οποία με τη σειρά της είναι συνάρτηση της τάσης τροφοδοσίας (Εικ. 5δ).
Η πραγματική τιμή του προϊόντος VI της ισχύος που καταναλώνεται από το σύστημα προσδιορίζεται από τρεις δείκτες: την τάση της πηγής ισχύος, τη συχνότητα και τους χρόνους των ακμών ανόδου και πτώσης του σήματος εισόδου. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας είναι ο χρόνος ανόδου του σήματος εισόδου. Εάν ο χρόνος ανόδου είναι μεγάλος, η απαγωγή ισχύος αυξάνεται επειδή η διαδρομή ρεύματος καθορίζεται καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου που το σήμα εισόδου διέρχεται την περιοχή μεταξύ των τάσεων κατωφλίου του άνω και του κάτω τρανζίστορ. Θεωρητικά, εάν ο χρόνος ανύψωσης θεωρούνταν μηδέν, δεν θα υπήρχε τρέχουσα διαδρομή και η ισχύς VI θα ήταν μηδέν. Ωστόσο, δεδομένου ότι ο χρόνος ανόδου είναι φυσικά μικρός, εμφανίζεται πάντα ένα ρεύμα διέλευσης, το οποίο αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της τάσης τροφοδοσίας.

Υπάρχει μια ακόμη περίσταση σχετικά με το χρόνο ανόδου του σήματος εισόδου και την κατανάλωση ισχύος. Εάν το κύκλωμα χρησιμοποιείται για την οδήγηση μεγάλου αριθμού φορτίων, ο χρόνος ανόδου του σήματος εξόδου θα αυξηθεί. Αυτό θα αυξήσει τη διασπορά ισχύος VI σε κάθε συσκευή που ελέγχεται από ένα τέτοιο κύκλωμα (αλλά όχι στο ίδιο το κύκλωμα ελέγχου). Εάν η κατανάλωση ρεύματος φτάσει σε μια κρίσιμη τιμή, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η κλίση του σήματος εξόδου συνδέοντας στοιχεία προσωρινής μνήμης παράλληλα ή μοιράζοντας φορτία προκειμένου να μειωθεί η συνολική κατανάλωση ενέργειας.

Τώρα ας συνοψίσουμε την επίδραση των επιδράσεων της τάσης τροφοδοσίας, της τάσης εισόδου, των χρόνων ανόδου και πτώσης των άκρων του σήματος εισόδου και της χωρητικότητας φορτίου στην απαγωγή ισχύος. Μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1. Τάση τροφοδοσίας. Το γινόμενο CV2f της απαγωγής ισχύος αυξάνεται με το τετράγωνο της τάσης τροφοδοσίας. Το γινόμενο VI της απαγωγής ισχύος αυξάνεται περίπου αναλογικά με το τετράγωνο της τάσης τροφοδοσίας.
2. Επίπεδο τάσης εισόδου. Το γινόμενο VI της απαγωγής ισχύος αυξάνεται εάν η τάση εισόδου είναι μεταξύ «δυναμικού γείωσης (GND) συν τάση κατωφλίου» και «τάσης τροφοδοσίας (VCC) μείον την οριακή τάση». Η μεγαλύτερη απαγωγή ισχύος συμβαίνει όταν το VIN πλησιάζει το 0,5 VCC. Το προϊόν CV2f δεν επηρεάζεται από το επίπεδο τάσης εισόδου.
3. Χρόνος ανόδου του σήματος εισόδου. Το γινόμενο VI της διασποράς ισχύος αυξάνεται με την αύξηση του χρόνου ανόδου επειδή το ρεύμα διέλευσης μέσω των τρανζίστορ ταυτόχρονα στην έξοδο σταθεροποιείται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Το προϊόν CV2f επίσης δεν επηρεάζεται από τον χρόνο ανόδου του σήματος εισόδου.
4. Ικανότητα φόρτωσης. Το γινόμενο CV2f της ισχύος που καταναλώνεται στο κύκλωμα αυξάνεται ανάλογα με την χωρητικότητα φορτίου. Το προϊόν VI της απαγωγής ισχύος δεν εξαρτάται από την χωρητικότητα φορτίου. Ωστόσο, μια αύξηση της χωρητικότητας φορτίου θα οδηγήσει σε αύξηση των χρόνων ανόδου των άκρων του σήματος εξόδου, το οποίο, με τη σειρά του, θα οδηγήσει σε αύξηση του γινομένου VI της διαλυμένης ισχύος στα λογικά στοιχεία που ελέγχονται από αυτό σήμα.

ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΜΕ ΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΛΛΩΝ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΩΝ

Υπάρχουν δύο βασικοί κανόνες για την αντιστοίχιση στοιχείων όλων των άλλων οικογενειών με τσιπ CMOS. Πρώτον, το κύκλωμα CMOS πρέπει να παρέχει τις απαραίτητες απαιτήσεις ρεύματος και τάσης εισόδου για στοιχεία άλλων οικογενειών. Και, δεύτερον, και ακόμη πιο σημαντικό, το πλάτος του σήματος εξόδου των λογικών στοιχείων άλλων οικογενειών πρέπει να ταιριάζει όσο το δυνατόν περισσότερο με την τάση της τροφοδοσίας του κυκλώματος CMOS.

ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ MOSFET P-CHANNEL

Υπάρχουν ορισμένες απαιτήσεις που πρέπει να πληρούνται κατά την αντιστοίχιση κυκλωμάτων P-MOS και CMOS. Πρώτον, αυτό είναι ένα σετ τροφοδοτικών με διαφορετικές τάσεις. Τα περισσότερα κυκλώματα P-MOS έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε τάσεις μεταξύ 17 V και 24 V, ενώ τα κυκλώματα CMOS έχουν σχεδιαστεί για μέγιστη τάση 15 V. Ένα άλλο πρόβλημα με τα κυκλώματα P-MOS, σε αντίθεση με το CMOS, είναι το σημαντικά χαμηλότερο σήμα πλάτους εξόδου από την τάση τροφοδοσίας. Η τάση εξόδου των κυκλωμάτων P-MOS κυμαίνεται από ουσιαστικά το πιο θετικό δυναμικό της τάσης τροφοδοσίας (VSS) έως αρκετά βολτ πάνω από το πιο αρνητικό δυναμικό (VDD). Επομένως, ακόμα κι αν το κύκλωμα P-MOS εκτελείται από πηγή 15 V, το πλάτος εξόδου του θα εξακολουθεί να είναι μικρότερο από αυτό που χρειάζεται για να ταιριάζει με το κύκλωμα CMOS. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι επίλυσης αυτού του προβλήματος, ανάλογα με τη διαμόρφωση του συστήματος. Ας εξετάσουμε δύο τρόπους για την κατασκευή ενός συστήματος εξ ολοκλήρου σε κυκλώματα MOS και μία μέθοδο όταν το σύστημα χρησιμοποιεί κυκλώματα TTLSH.

Το πρώτο παράδειγμα χρησιμοποιεί μόνο κυκλώματα P-MOS και CMOS με τάσεις τροφοδοσίας μικρότερες από 15 V (βλ. Εικόνα 10). Σε αυτή τη διαμόρφωση, το κύκλωμα CMOS οδηγεί απευθείας το P-MOS. Ωστόσο, ένα κύκλωμα P-MOS δεν μπορεί να οδηγήσει απευθείας το CMOS επειδή η λογική μηδενική τάση εξόδου του είναι πολύ πάνω από το μηδενικό δυναμικό του συστήματος. Για να «ανεβάσει» το δυναμικό εξόδου του κυκλώματος στο μηδέν, εισάγεται μια πρόσθετη αντίσταση RPD. Η τιμή του επιλέγεται αρκετά μικρή ώστε να παρέχει την επιθυμητή χρονική σταθερά RC κατά την εναλλαγή της εξόδου από "ένα" σε "μηδέν" και, ταυτόχρονα, αρκετά μεγάλη ώστε να παρέχει την απαιτούμενη τιμή του λογικού επιπέδου "ένα". Αυτή η μέθοδος είναι επίσης κατάλληλη για εξόδους P-MOS ανοιχτής αποστράγγισης.

Μια άλλη επιλογή σε ένα σύστημα all-MOS είναι η χρήση μιας συμβατικής τάσης αναφοράς διόδου zener για την κίνηση ενός πιο αρνητικού δυναμικού για την τροφοδοσία του κυκλώματος CMOS (Εικόνα 11).

Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιεί τροφοδοτικό P-MOS 17-24 V Η τάση αναφοράς επιλέγεται για να μειώσει την τάση τροφοδοσίας CMOS στην ελάχιστη τάση εξόδου swing-to-peak του κυκλώματος P-MOS. Το κύκλωμα CMOS μπορεί ακόμα να οδηγεί απευθείας το P-MOS, αλλά τώρα, το κύκλωμα P-MOS μπορεί να οδηγεί το CMOS χωρίς αντίσταση έλξης. Άλλοι περιορισμοί περιλαμβάνουν την τάση τροφοδοσίας των κυκλωμάτων CMOS, η οποία πρέπει να είναι μικρότερη από 15 V, και την ανάγκη η αναφορά να παρέχει επαρκές ρεύμα για την τροφοδοσία όλων των κυκλωμάτων CMOS στο σύστημα. Αυτή η λύση είναι αρκετά κατάλληλη εάν η τροφοδοσία του κυκλώματος P-MOS πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 15 V και η κατανάλωση ρεύματος των κυκλωμάτων CMOS είναι αρκετά μικρή ώστε να παρέχεται από έναν απλό παραμετρικό ρυθμιστή.

Εάν το σύστημα χρησιμοποιεί κυκλώματα TTLS, πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον δύο τροφοδοτικά. Σε αυτή την περίπτωση, το κύκλωμα CMOS μπορεί να λειτουργήσει από μια μονοπολική πηγή και να οδηγεί απευθείας το κύκλωμα P-MOS (Εικ. 12).

ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΟΣΦΕΤ Ν ΚΑΝΑΛΙΟΥ

Η αντιστοίχιση CMOS με κυκλώματα N-MOS είναι απλούστερη, αν και υπάρχουν ορισμένα προβλήματα. Πρώτον, τα κυκλώματα N-MOS απαιτούν χαμηλότερες τάσεις τροφοδοσίας, συνήθως στην περιοχή 5-12 V. Αυτό τους επιτρέπει να αντιστοιχιστούν απευθείας με τα κυκλώματα CMOS. Δεύτερον, το πλάτος του σήματος εξόδου των κυκλωμάτων CMOS κυμαίνεται από σχεδόν μηδέν έως την τάση τροφοδοσίας μείον 1-2 V.

Σε υψηλότερες τάσεις τροφοδοσίας, τα κυκλώματα N-MOS και CMOS μπορούν να λειτουργήσουν απευθείας επειδή το λογικό επίπεδο εξόδου του κυκλώματος N-MOS θα διαφέρει από την τάση τροφοδοσίας μόνο κατά 10-20%. Ωστόσο, σε χαμηλότερες τάσεις τροφοδοσίας, η λογική τάση στάθμης μονάδας θα είναι χαμηλότερη κατά 20-40%, επομένως είναι απαραίτητο να συμπεριλάβετε μια αντίσταση "pull-up" (Εικ. 13).

TTL, TTLSH CIRCUIT

Κατά την αντιστοίχιση αυτών των οικογενειών με κυκλώματα CMOS, προκύπτουν δύο ζητήματα. Πρώτον, είναι η τάση λογικού επιπέδου 1 των διπολικών οικογενειών αρκετή για να οδηγεί απευθείας κυκλώματα CMOS; Τα κυκλώματα TTL και TTLSh είναι αρκετά ικανά να οδηγούν κυκλώματα CMOS της σειράς 74HCXX απευθείας χωρίς πρόσθετες αντιστάσεις έλξης. Ωστόσο, δεν είναι σε θέση να ελέγχουν κυκλώματα CMOS της σειράς CD4000 (K561, KR1561), καθώς τα χαρακτηριστικά της τελευταίας δεν εγγυώνται λειτουργία σε περίπτωση απευθείας σύνδεσης χωρίς αντιστάσεις έλξης.

Τα κυκλώματα TTL είναι ικανά να οδηγούν απευθείας κυκλώματα CMOS σε όλο το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Τα τυπικά κυκλώματα TTL είναι ικανά να οδηγούν απευθείας κυκλώματα CMOS στο μεγαλύτερο μέρος του εύρους θερμοκρασίας. Ωστόσο, πιο κοντά στο κατώτερο όριο του εύρους θερμοκρασίας, η τάση στάθμης λογικής μονάδας των κυκλωμάτων TTL μειώνεται και συνιστάται η εισαγωγή μιας αντίστασης "pull-up" (Εικ. 14).

Σύμφωνα με την εξάρτηση των επιτρεπόμενων τιμών τάσης των επιπέδων εισόδου από την τάση τροφοδοσίας για κυκλώματα CMOS (βλ. Εικ. 4), εάν η τάση εισόδου υπερβαίνει την τιμή του VCC-1,5 V (σε VCC = 5 V), τότε η τάση εξόδου δεν θα υπερβαίνει τα 0,5 V . Το επόμενο στοιχείο CMOS θα ενισχύσει αυτήν την τάση 0,5 V στην αντίστοιχη τάση VCC ή GND. Η λογική τάση επιπέδου «1» για τυπικά κυκλώματα TTL είναι τουλάχιστον 2,4 V με ρεύμα εξόδου 400 μA. Αυτή είναι η χειρότερη περίπτωση, καθώς η τάση εξόδου του κυκλώματος TTL θα προσεγγίσει αυτήν την τιμή μόνο στην ελάχιστη θερμοκρασία, στο μέγιστο επίπεδο εισόδου "0" (0,8 V), στο μέγιστο ρεύμα διαρροής και στην ελάχιστη τάση τροφοδοσίας (VCC = 4,5 V).

Υπό κανονικές συνθήκες (25°C, VIN = 0,4 V, ονομαστικά ρεύματα διαρροής στο κύκλωμα CMOS και τάση τροφοδοσίας VCC = 5 V), το λογικό επίπεδο «1» πιθανότατα θα αντιστοιχεί στο VCC-2VD ή στο VCC-1,2 V. Όταν αλλάζει μόνο η θερμοκρασία, η τάση εξόδου θα αλλάξει ανάλογα με την εξάρτηση "δύο φορές -2 mV ανά βαθμό θερμοκρασίας" ή "-4 mV ανά βαθμό". Το VCC-1.2V είναι αρκετό για να οδηγεί απευθείας ένα κύκλωμα CMOS χωρίς την ανάγκη για έλξη αντίστασης.

Εάν, υπό ορισμένες συνθήκες, η τάση εξόδου ενός κυκλώματος λογικού 1 TTL μπορεί να πέσει κάτω από το VCC-1,5 V, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια αντίσταση για την κίνηση του κυκλώματος CMOS.
Η δεύτερη ερώτηση είναι, μπορεί ένα κύκλωμα CMOS να παρέχει αρκετό ρεύμα εξόδου για να παρέχει μια τάση εισόδου λογικού επιπέδου 0 σε ένα κύκλωμα TTL; Για το λογικό "1" αυτό το πρόβλημα δεν υπάρχει.

Για ένα κύκλωμα TTL, το ρεύμα εισόδου είναι αρκετά μικρό ώστε να οδηγεί απευθείας δύο τέτοιες εισόδους. Για ένα τυπικό κύκλωμα TTL, το ρεύμα εισόδου είναι δέκα φορές υψηλότερο από το ρεύμα του κυκλώματος TTL και, επομένως, η τάση εξόδου του κυκλώματος CMOS θα υπερβεί τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή της τάσης λογικού επιπέδου «0» (0,8 V). . Ωστόσο, εάν εξετάσετε προσεκτικά τις προδιαγραφές της μονάδας δίσκου εξόδου των κυκλωμάτων CMOS, θα παρατηρήσετε ότι μια πύλη NAND δύο εισόδων μπορεί να οδηγήσει μία μόνο είσοδο TTL, αν και μόνο σε ακραίες περιπτώσεις. Για παράδειγμα, η τάση εξόδου του λογικού μηδενικού επιπέδου για τις συσκευές MM74C00 και MM74C02 σε όλο το εύρος θερμοκρασίας είναι 0,4 V σε ρεύμα 360 μA, με τάση εισόδου 4,0 V και τάση τροφοδοσίας 4,75 V. Και τα δύο κυκλώματα είναι φαίνεται στο Σχ. 15.

Και τα δύο κυκλώματα έχουν την ίδια χωρητικότητα φορτίου, αλλά η δομή τους είναι διαφορετική. Αυτό σημαίνει ότι καθένα από τα δύο κάτω τρανζίστορ του MM74C02 μπορεί να παρέχει το ίδιο ρεύμα με δύο τρανζίστορ MM74C00 σε σειρά. Δύο τρανζίστορ MM74C02 μαζί μπορούν να παρέχουν διπλάσιο ρεύμα σε μια δεδομένη τάση εξόδου. Εάν επιτρέψουμε στη λογική μηδενική τάση εξόδου να αυξηθεί σε μια τιμή 0,8 V, τότε η συσκευή MM74C02 θα μπορεί να παρέχει τετραπλάσιο ρεύμα εξόδου από 360 μA, δηλ. 1,44 mA, που είναι κοντά στο 1,6 mA. Στην πραγματικότητα, το 1,6 mA είναι το μέγιστο ρεύμα εισόδου για μια είσοδο TTL και τα περισσότερα κυκλώματα TTL λειτουργούν σε όχι περισσότερο από 1 mA. Επίσης, 360 µA είναι το ελάχιστο ρεύμα εξόδου για κυκλώματα CMOS. Η πραγματική τιμή είναι στην περιοχή 360-540 μA (που αντιστοιχεί στο ρεύμα εισόδου των 2-3 εισόδων TTLSH). Καθορίζεται ρεύμα 360μA για τάση εισόδου 4V Για τάση εισόδου 5V, το ρεύμα εξόδου θα είναι περίπου 560μA σε όλο το εύρος θερμοκρασίας, καθιστώντας τον έλεγχο εισόδου TTL ακόμα πιο εύκολο. Σε θερμοκρασία δωματίου και τάση εισόδου 5 V, η έξοδος του κυκλώματος CMOS μπορεί να παρέχει ρεύμα 800 μA. Επομένως, μια πύλη NOR δύο εισόδων θα παρέχει ρεύμα εξόδου 1,6 mA στα 0,4 V εάν και οι δύο είσοδοι της πύλης NOR τροφοδοτούνται με 5 V.

Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η πύλη NOR με δύο εισόδους που περιλαμβάνεται στο MM74C02 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση μιας τυπικής εισόδου TTL αντί μιας αποκλειστικής προσωρινής μνήμης. Ωστόσο, αυτό θα οδηγήσει σε μια ελαφρά μείωση της θορύβου στο εύρος θερμοκρασίας.

Πηγές πληροφοριών