Elemente logice kmop. Chip-uri logice digitale realizate pe tranzistoare complementare mosfeed (cipuri cmop)
Logica MOS complementară (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) este astăzi principala în producția de circuite integrate mari de seturi de microprocesoare, microcontrolere, computere personale VLSI și circuite integrate de memorie. Pe lângă circuitele integrate de înaltă integrare, au fost produse mai multe generații de serii CMOS cu integrare scăzută și medie pentru a crea cadre electronice pentru LSI și circuite electronice simple. Se bazează pe invertorul discutat anterior (Fig. 2.9) pe tranzistoare MOS complementare (completare reciproce) cu un canal indus de diferite tipuri p și n de conductivitate, realizate pe un substrat comun (nu sunt prezentate circuitele de securitate de intrare).
Figura 3.8. Elemente logice CMOS cu două intrări a) NAND, b) NOR
Ca și în cazul unui invertor simplu, o caracteristică a LE este prezența a două niveluri de tranzistoare în raport cu pinul de ieșire. Funcția logică îndeplinită de întregul circuit este determinată de tranzistoarele de nivel inferior. Pentru a implementa AND-NOT în logică pozitivă, tranzistoarele cu un canal n sunt conectate în serie între ele, cu un canal p - în paralel și pentru a implementa SAU-NU - invers (Fig. 3.8).
Microcircuitele CMOS sunt aproape de comutatoarele ideale: în modul static nu consumă practic nicio energie, au o intrare mare și o rezistență scăzută la intrare, imunitate ridicată la zgomot, capacitate mare de încărcare, stabilitate bună la temperatură, funcționează stabil într-o gamă largă de tensiuni de alimentare (de la +3). la + 15 V). Semnalul de ieșire este aproape egal cu tensiunea de alimentare. Când Ep=+5V, compatibilitatea nivelurilor logice cu logica standard TTL/TTLS este asigurată. Tensiunea de prag la orice tensiune de alimentare este egală cu jumătate din tensiunea de alimentare Upore = 0,5 Ep, ceea ce asigură imunitate ridicată la zgomot.
Porțile logice cu un număr mare de intrări sunt organizate într-un mod similar. Nomenclatura microcircuitelor CMOS include LE AND, OR, AND-NOT, NOR-NOT, AND-OR-NOT, cu numărul de intrări de până la 8. Puteți crește numărul de variabile de intrare folosind elemente logice suplimentare aparținând aceluiași serie de circuite integrate.
Industria autohtonă produce mai multe serii CMOS universale: K164, K176, K561, K564, K1561, K1564.
K176 – CMOS standard t z =200 ns, Ipot £100 µA
K564, K561, K1561 – CMOS îmbunătățit t z =15 ns (15 V), I pot = 1-100 µA
K1564 – CMOS de mare viteză (analogic funcțional al seriei 54HC) t з =9-15 ns, Upit=2-6 V, Ipot £10 μA
Principalele caracteristici tehnice ale circuitelor integrate din seria K564 (K561) sunt prezentate mai jos:
Tensiune de alimentare U p, V …………………………..3-15
Consumul de energie
În modul static, μW/caz …………0,1
La f=1 MHz, U p =10 V, C n =50 pf, mW……….20
Disiparea puterii admisibile. MW/corp …..500
Tensiune de intrare, V……………….de la -0,5V la U p + 0,5V
Tensiune de ieșire, V
Nivel scăzut ………………………… nu mai mult de 0,05 V,
Nivel înalt…………………nu mai puțin de U p + 0,5V
Întârzierea medie de propagare a semnalului la C n =15 nf
Pentru U p =+5 V, ns……………………………50
Pentru U p =+10 V, ns……………………………..20,
Temperatura de functionare, 0 C
Seria 564………………………..de la -60 la +125
Seria K561……………………….de la -40 la +85
Dacă dezvoltarea seriei TTL a mers în principal spre reducerea consumului de energie, atunci seria CMOS s-a dezvoltat în direcția creșterii performanței. În cele din urmă, tehnologia CMOS a câștigat. Generațiile ulterioare de logică standard sunt produse numai folosindu-l. Astfel, a doua generație de cipuri logice standard este produsă folosind tehnologia CMOS, dar păstrează conformitatea funcțională deplină cu seria TTL.
Un exemplu clar al cât de complicat este totul în stabilirea priorităților de cercetare și dezvoltare sunt cipurile CMOS și apariția lor pe piață.
Cert este că efectul de câmp, care stă la baza structurii MOS, a fost descoperit la sfârșitul anilor 20 ai secolului trecut, dar ingineria radio cunoștea atunci un boom în dispozitivele cu vid (tuburi radio) și au fost luate în considerare efectele descoperite în structurile cristaline. nepromițătoare.
Apoi, în anii 40, tranzistorul bipolar a fost practic redescoperit și abia atunci, când cercetările și îmbunătățirile ulterioare ale tranzistorilor bipolari au arătat că această direcție duce la o fundătură, oamenii de știință și-au amintit efectul de câmp.
Așa a apărut tranzistorul MOS și, ulterior, cipurile CMOS. Scrisoare LA la începutul abrevierei înseamnă complementar, adică complementar. În practică, aceasta înseamnă că microcircuitele folosesc perechi de tranzistoare cu exact aceiași parametri, dar un tranzistor are o poartă de tip n, iar celălalt tranzistor are o poartă de tip p. În stil străin, se numesc cipuri CMOS CMOS(Semiconductor complementar de oxid de metal). Sunt folosite și abrevierile KMDP și K-MOP.
Printre tranzistoarele convenționale, un exemplu de pereche complementară sunt tranzistoarele KT315 și KT361.
În primul rând, seria K176 bazată pe tranzistori cu efect de câmp a apărut pe piața componentelor radio-electronice și, ca o dezvoltare ulterioară a acestei serii, a fost dezvoltată seria K561, care a devenit foarte populară. Această serie include un număr mare de cipuri logice.
Deoarece tranzistoarele cu efect de câmp nu sunt la fel de critice pentru tensiunea de alimentare precum cele bipolare, această serie este alimentată cu tensiuni de la +3 la +15V. Acest lucru permite acestei serii să fie utilizată pe scară largă în diverse dispozitive, inclusiv cele alimentate cu baterie. În plus, dispozitivele asamblate pe microcircuite din seria K561 consumă foarte puțin curent. Și nu e de mirare, deoarece baza microcircuitelor CMOS este un tranzistor MOS cu efect de câmp.
De exemplu, microcircuitul K561TP2 conține patru declanșatori RS și consumă un curent de 0,14 mA, în timp ce un microcircuit similar din seria K155 a consumat cel puțin 10 - 12 mA. Microcircuitele bazate pe structuri CMOS au o rezistență de intrare foarte mare, care poate ajunge la 100 MOhm sau mai mult, astfel încât capacitatea lor de încărcare este destul de mare. Intrările a 10 - 30 de microcircuite pot fi conectate la ieșirea unui microcircuit. Pentru cipurile TTL, o astfel de încărcare ar provoca supraîncălzire și defecțiune.
Prin urmare, proiectarea nodurilor pe microcircuite folosind tranzistoare CMOS permite utilizarea unor soluții de circuit mai simple decât atunci când se utilizează microcircuite TTL.
În străinătate, cel mai comun analog al seriei K561 este etichetat ca CD4000. De exemplu, cipul K561LA7 corespunde CD4011 străin.
Când utilizați microcircuite din seria K561, nu ar trebui să uităm de unele dintre nuanțele funcționării lor. Trebuie amintit că, deși microcircuitele funcționează într-un domeniu larg de tensiune, atunci când tensiunea de alimentare scade, imunitatea la zgomot scade, iar pulsul se „împrăștie” ușor. Adică, cu cât tensiunea de alimentare este mai aproape de maxim, cu atât fronturile de impuls sunt mai abrupte.
Figura prezintă un element clasic de bază (poartă) care inversează semnalul de intrare (element NU). Adică, dacă la intrare vine unul logic, atunci un zero logic este eliminat din ieșire și invers. O pereche complementară de tranzistoare cu tipuri de poartă „n” și „p” este prezentată clar aici.
Figura următoare prezintă elementul de bază 2I - NOT. Este clar că rezistențele care sunt prezente într-un element similar al microcircuitului TTL sunt absente aici. Din două astfel de elemente este ușor să obțineți un declanșator, iar dintr-o serie secvențială de declanșatori există o cale directă către contoare, registre și dispozitive de stocare.
Cu toate calitățile pozitive ale circuitelor integrate din seria K561, acestea au, desigur, și dezavantaje. În primul rând, în ceea ce privește frecvența maximă de funcționare, microcircuitele CMOS sunt vizibil inferioare microcircuitelor cu altă logică și funcționând pe tranzistoare bipolare.
Frecvența la care funcționează cu încredere seria K561 nu depășește 1 MHz. Pentru a potrivi microcircuite bazate pe structuri MOS cu alte serii, de exemplu, TTL, se folosesc convertoare de nivel K561PU4, K561LN2 și altele. Aceste microcircuite sincronizează și performanța, care poate diferi între serii.
Dar cel mai mare dezavantaj al microcircuitelor bazate pe structuri MOS complementare este sensibilitatea extremă a microcircuitului la electricitatea statică. Prin urmare, locurile de muncă speciale sunt echipate în fabrici și laboratoare. Pe masă, toate lucrările se desfășoară pe o foaie de metal, care este conectată la o magistrală comună de masă. Atât corpul fierului de lipit, cât și o brățară metalică purtată pe mâna lucrătorului sunt conectate la acest autobuz.
Unele microcircuite sunt vândute ambalate în folie, care scurtcircuitează toți pinii împreună. Când lucrați acasă, este, de asemenea, necesar să găsiți o oportunitate pentru ca sarcina statică să curgă cel puțin pe conducta de încălzire. În timpul instalării, pinii de alimentare sunt lipiți mai întâi și apoi toți ceilalți.
Nivelurile logice ale microcircuitelor CMOS cu o sursă de cinci volți sunt prezentate în Fig. 9.
Limitele nivelurilor logice zero și unu pentru microcircuitele CMOS cu o sursă de cinci volți sunt prezentate în Fig. 10.
Orez. 10. Nivelurile semnalului logic la intrarea microcircuitelor digitale CMOS.
Din Figura 10 se poate observa că marja nivelurilor de răspuns pentru a asigura imunitatea la zgomot pentru CMOS este mai mare de 1,1 V. Aceasta este de aproape trei ori mai mare decât pentru TTL.
Când tensiunea de alimentare scade, limitele zero logic și unul logic se schimbă proporțional cu modificarea tensiunii de alimentare.
Familiile de cipuri CMOS
Primele cipuri CMOS nu aveau diode de protecție la intrare, așa că instalarea lor a prezentat dificultăți semnificative. Aceasta este o familie de cipuri din seria K172. Următoarea familie îmbunătățită de cipuri din seria K176 a primit aceste diode de protecție. Este destul de comun astăzi. Seria K1561 (analogul străin al acestor microcircuite este C4000B) completează dezvoltarea primei generații de microcircuite CMOS. În această familie, s-a realizat o viteză de 90ns și o gamă de tensiune de alimentare de 3..15V.
O dezvoltare ulterioară a microcircuitelor CMOS a fost seria SN74HC. Aceste microcircuite nu au analog domestic. Au o viteza de 27ns si pot functiona in domeniul de tensiune 2..6V. Ele coincid în pinout și gamă funcțională cu microcircuite TTL, dar nu sunt compatibile cu acestea la niveluri logice, prin urmare, în același timp, microcircuite din seria SN74HCT (analog domestic - K1564), compatibile cu microcircuite TTL și la niveluri logice, au fost dezvoltat.
În acest moment, a existat o tranziție la sursa de alimentare de trei volți. Pentru acesta au fost dezvoltate cipuri SN74ALVC cu un timp de întârziere a semnalului de 5,5 ns și o gamă de putere de 1,65..3,6V. Aceleași microcircuite sunt capabile să funcționeze cu o sursă de alimentare de 2,5 volți. Timpul de întârziere a semnalului crește la 9ns.
Cea mai promițătoare familie de microcircuite CMOS este considerată familia SN74AUC cu un timp de întârziere a semnalului de 1,9 ns și o gamă de putere de 0,8..2.7V.
Chip-uri digitale logice cuplate la emițător Informații generale despre ESL imms
Circuitele integrate bazate pe logica cuplată cu emițător (ECL) au devenit larg răspândite ca bază elementară pentru computere și echipamente electronice de mare viteză. Microcircuitele bazate pe ESL au o serie de avantaje care le oferă un avantaj față de alte microcircuite în construcția acestei clase de echipamente:
1. Circuit bun și maturitate tehnică și, în consecință, cost relativ scăzut de fabricație.
Performanță ridicată cu consum mediu de energie sau performanță ultra-înaltă cu consum mare de energie.
Energie de comutare scăzută.
Imunitate relativă ridicată la zgomot.
Stabilitate ridicată a parametrilor dinamici la modificarea temperaturii de funcționare și a tensiunii de alimentare.
Capacitate mare de încărcare.
Independența consumului de curent față de frecvența de comutare.
Capacitatea IC de a funcționa pe linii și sarcini de comunicație cu impedanță scăzută.
Set funcțional larg de microcircuite.
10. Ușurință de utilizare în condiții de aranjare de înaltă densitate folosind cablaje imprimate multistrat și cabluri coaxiale și plate cu impedanță scăzută.
În prezent, circuitele integrate ESL sunt cele mai rapide microcircuite pe bază de siliciu produse de industrie atât în țara noastră, cât și în străinătate. Experiența în proiectarea echipamentelor arată că utilizarea circuitelor integrate ESL este optimă pentru construcția de dispozitive radio-electronice de mare viteză, în special computere de mare viteză, și mai puțin eficientă în dezvoltarea dispozitivelor radio-electronice de viteză mică și medie.
Performanța ridicată se datorează faptului că tranzistoarele din aceste elemente funcționează într-un mod nesaturat, în urma căruia se elimină acumularea și resorbția purtătorilor de sarcină minoritari.
Din punct de vedere structural, elementul de bază al ESL conține: o sursă de tensiune de referință (VS), un comutator de curent (TS) și emițători adepți.
Comutatorul de curent de intrare se bazează pe un circuit cu emițători combinați (Fig. 11). Principalele sale avantaje: constanța curentului total al emițătorului / e = 1 uh 1 + eu e2 în proces de lucru; disponibilitatea ieșirilor directe și inverse U out1, U ieșire2 .
Orez. 11. Element logic de bază ESL
Microcircuitele ESL digitale moderne includ seriile IC 100, K100, 500, K500, 1500, KI500.
Timpul de întârziere tipic al elementelor logice ale IC din seria K1550 este 0,7 ns, seria K500 0,5...2 ns; seria 138 2,9 ns. Microcircuitele ESL au imunitate la zgomot pentru niveluri de tensiune joasă și înaltă de cel puțin 125 mV și 150 mV, răspândirea tensiunii de ieșire la nivel scăzut este de 145...150 mV, nivelul ridicat este de 200 mV. Amplitudinea semnalului logic U l până la 800 mV. În seria IC 500, nivelul de integrare este de până la 80 de elemente logice pe un cip; set functional de microcircuite - 48 modificari, putere consumata de elementul P pot = 8...25 mW (in stare neincarcata), energie consumata la comutare A = 50 pJ.
Elementul logic de bază al IC K500, datorită prezenței ieșirilor directe și inverse, îndeplinește simultan două funcții: SAU-NUŞi SAU. În logică negativă funcțiile sunt îndeplinite D/N-NU. Circuitul electric al elementului ESL de bază este format din trei circuite (Fig. 12): un comutator de curent (TS), emițători de ieșire (EF) și o sursă de tensiune de referință (RP).
Comutatorul de curent este construit pe tranzistoare VT 1- VT5 și rezistențe R1- R7 și este un amplificator diferențial care funcționează în modul cheie și are mai multe intrări. O creștere a numărului de intrări TP se realizează prin conectarea în paralel a tranzistoarelor de intrare suplimentare VT 1- VT 4.
LE de bază funcționează după cum urmează. Când se aplică la toate intrările circuitului XI- X4 tranzistoare de intrare de nivel scăzut (-1,7 V). VT1- VT4 inchis, tranzistor VT5 deschis deoarece tensiunea de la baza sa U OP = -1,3 V mai sus.
Consumul mare de energie și disiparea sunt dezavantaje ale microcircuitelor ESL, care este o consecință a funcționării lor într-un mod nesaturat. O mică diferență logică, pe de o parte, crește performanța și, pe de altă parte, reduce imunitatea la zgomot.
Orez. 16.10.
Diferența fundamentală dintre circuitele CMOS și tehnologia nMOS este absența rezistențelor active în circuit. La fiecare intrare a circuitului este conectată o pereche de tranzistoare cu un tip diferit de canal. Tranzistoarele cu un canal de tip p sunt conectate de substrat la sursa de alimentare, astfel încât formarea unui canal în ele va avea loc atunci când diferența de potențial dintre substrat și poartă este suficient de mare, iar potențialul de la poartă trebuie să fie negativ raportat la substrat. Această stare este asigurată prin aplicarea potențialului de masă la poartă (adică 0 logic). Tranzistoarele cu un canal de tip n sunt conectate de substrat la masă, astfel încât formarea unui canal în ele va avea loc atunci când un potențial sursă de energie este aplicat la poartă (adică 1 logic). Aplicarea simultană a unui zero logic sau a unuia logic unor astfel de perechi de tranzistoare cu diferite tipuri de canale duce la faptul că un tranzistor al perechii va fi neapărat deschis, iar celălalt închis. Astfel, sunt create condiții pentru conectarea ieșirii fie la o sursă de alimentare, fie la masă.
Deci, în cel mai simplu caz, pentru circuitul invertorului ( orez. 16.10) la A=0 tranzistorul VT1 va fi deschis și VT2 va fi închis. În consecință, ieșirea circuitului F va fi conectată prin canalul VT1 la sursa de alimentare, care corespunde stării logice: F=1. La A=1, tranzistorul VT1 va fi închis (poarta și substratul au aceleași potențiale), iar VT2 va fi deschis. Prin urmare, ieșirea circuitului F va fi conectată prin canalul tranzistorului VT2 la masă. Aceasta corespunde unei stări logice zero: F=0.
Adunare logica ( orez. 16.11) se realizează prin conectarea în serie a canalelor p ale tranzistoarelor VT1 și VT2. Când este furnizată cel puțin o unitate, nu se formează un singur canal pentru acești tranzistori. În același timp, datorită conexiunii paralele a VT3 și VT4, tranzistorul corespunzător din partea de jos a circuitului este deschis, asigurând conectarea ieșirii F la masă. Se dovedește că F=0 când se aplică cel puțin un 1 logic - aceasta este regula SAU-NU.
Orez. 16.11.
Funcția NAND este realizată printr-o conexiune paralelă a VT1 și VT2 în partea superioară a circuitului și o conexiune serială a VT3 și VT4 în partea inferioară ( orez. 16.12). Dacă se aplică zero la cel puțin o intrare, un singur canal nu va fi format pe VT3 și VT4, ieșirea va fi deconectată de la masă. În același timp, cel puțin un tranzistor din partea superioară a circuitului (la poarta căruia se aplică un zero logic) va asigura conectarea ieșirii F la sursa de alimentare: F = 1 când se aplică cel puțin un zero. - regula SI-NU.
Orez. 16.12.
Scurt rezumat
În funcție de baza elementului, există diferite tehnologii de producție IC. Principalele sunt TTL pe tranzistoarele bipolare și nMOS și CMOS activate tranzistoare cu efect de câmp.
Termeni cheie
tehnologia nMOS tranzistoare cu efect de câmp cu un canal indus de tip n.
tampon cu 3 stări– partea de ieșire a circuitului TTL, oferind posibilitatea trecerii la a treia stare, de înaltă impedanță.
Tehnologia CMOS- Tehnologia de producție IC bazată pe tranzistoare cu efect de câmp cu canale de ambele tipuri de conductivitate electrică.
Colector deschis– o opțiune pentru implementarea părții tampon a elementelor TTL fără rezistor în circuitul de sarcină, care este îndepărtată în afara circuitului.
Circuite de sarcină rezistivă– Circuite TTL în care starea circuitului tampon este determinată de starea nu a unuia, ci a două tranzistoare.
Logica tranzistor-tranzistor– tehnologie pentru producerea de circuite integrate bazate pe tranzistoare bipolare.
Abrevieri acceptate
CMOS - complementar, metal, oxid, semiconductor
Trusa de antrenament
Exerciții pentru curs 16
Exercițiul 1
Opțiunea 1 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NOR cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NAND cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NOR cu 4 intrări folosind tehnologia nMOS.
Exercițiul 2
Opțiunea 1 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NAND cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 4 intrări folosind tehnologia CMOS.
Exercițiul 3
Opțiunea 1 pentru exercițiul 3.Desenați un circuit al unui element NOR cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 3.Desenați o diagramă a unui element NAND cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 3.Desenați un circuit al unui element NOR cu 4 intrări folosind tehnologia TTL.
Exercițiul 4
Opțiunea 1 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element SAU cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element SAU cu 4 intrări folosind tehnologia nMOS.
Exercițiul 5
Opțiunea 1 pentru exercițiul 5.Desenați circuitul unei porți SAU cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 5.Desenați un circuit al unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 5.Desenați circuitul unei porți SAU cu 4 intrări folosind tehnologia CMOS.
Exercițiul 6
Opțiunea 1 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element SAU cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element SAU cu 4 intrări folosind tehnologia TTL.
Exercițiul 7
Opțiunea 1 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2I-OR-NU folosind tehnologia TTL.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2I-OR-NOT folosind tehnologia CMOS.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2ȘI-SAU-NU folosind tehnologia nMOS.
Exercițiul 8
Opțiunea 1 pentru exercițiul 8.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 3 intrări cu un buffer cu 3 stări.
Opțiunea 2 pentru exercițiul 8.Desenați circuitul unei porți NAND cu 3 intrări cu un colector deschis.
Opțiunea 3 pentru exercițiul 8.Desenați un circuit al unei porți SAU cu 3 intrări cu un buffer în 3 stări.
