13 (ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ)

13. МИКРОСХЕМЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КМДП(КМОП)

Цифровые ИМС на основе КМДП структур все шире используются при разработке разнообразных электронных схем, на что имеются весьма веские причины. КМДП ИМС - это в высшей степени универсальные и легко применяемые устройства, которые обладают уникальными свойствами, нехарактерными для других классов цифровых ИМС.

Комплементарными эти ИМС названы потому, что они изготовлены на основе КМДП транзисторов, т.е. на основе пар полевых транзисторов со структурой: металл - окисел(диэлектрик) - полупроводник, имеющих очень близкие характеристики и каналы разных типов проводимости. ИМС, построенные по такому принципу потребляют от источника питания существенно меньшую мощность, чем все другие ИМС и могут работать в более широком диапазоне уровней питающих напряжений. Электронные наручные часы и устройства для автомобиля, медицинские электронные приборы, телевизионные приемники, портативные калькуляторы - это лишь немногие примеры устройств, в которых используются КМДП ИМС.

Основные достоинства цифровых ИМС на КМОП-структурах - большое входное сопротивление транзисторов (R_вх ) 10¹² Ом) и высокий уровень интеграции. При выполнении импульсных устройств на интегральных логических элементах КМОП сопротивления времязадающих резисторов вследствие высоких входных сопротивлений транзисторов не ограничены сверху, следовательно, для получения импульсов с большой длительностью не следует увеличивать электрическую емкость времязадающих конденсаторов.

Высокое быстродействие логических элементов КМДП-типа обеспечивается тем, что паразитные емкости перезаряжаются через открытые транзисторы.

Комплементарные структуры представляют собой взаимодополняющие пары биполярных (p-n-p и n-p-n) или МДП (p-канальных и n-канальных) транзисторов, что позволяет значительно улучшить характеристики ИМС. Они изготавливаются на общей подложке в карманах, изолированных от подложки либо p-n -переходом, либо диэлектрической пленкой. Комплементарные транзисторы выполняются в виде горизонтальной (рис. 300) и вертикальной (рис. 301) структур.

Рис. 300. Горизонтальная структура комплементарных транзисторов

В транзисторах горизонтальной структуры эмиттер, база, и коллектор расположены на одной горизонтальной плоскости, поэтому инжектированные в базу неосновные носители перемещаются не перпендикулярно поверхности кристалла, а вдоль нее. Такие транзисторы называются торцевыми (латеральными). При изготовлении торцевых

транзисторов p-n-p - типа формирование эмиттеров осуществляется во время базовой диффузии n-p-n - транзисторов. Затем путем второй базовой диффузии эмиттер p-n-p - транзистора окружается коллектором. Базой транзистора служит исходный слой полупроводника n-типа между этими областями. Ширина базы, следовательно, и значение коэффициента передачи тока базы и определяются расстоянием между окнами, протравливаемыми в фоторежиме для эмиттера и коллектора.

Рис. 301. Вертикальная структура комплементарных транзисторов

В вертикальных структурах база располагается под эмиттером (инжектированные неосновные носители перемещаются в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла). Все три области p-n-p - транзистора (коллектор, база и эмиттер) формируются путем диффузии. Такие комплементарные структуры сложны в изготовлении из-за высоких требований точности концентрации легирующих примесей. Однако транзисторы, изготовленные по такой технологии, имеют больший, чем транзисторы с горизонтальной структурой козффициент передачи тока базы и и высокое напряжение пробоя коллекторного перехода.

13.1 Функциональный ряд КМДП ИС

Микросхемы, выполненные по технологии КМДП могут иметь различное назначение и функциональные возможности. Функциональный ряд для микросхем КМДП представлен в таблице 64.

13.2 Логические и арифметико-логические элементы

К основным параметрам цифровых ИМС, выполненных по технологии КМДП, относятся следующие# напряжение источника питания U_п : выходное напряжение низкого уровня U⁰_вых; выходное напряжение высокого уровня U¹_вых; выходной ток низкого уровня I⁰_вых ; выходной ток высокого уровня I¹_вых ; , входная емкость С_вх; максимальное время задержки (быстродействие). Потребляемая мощность для микросхем КМДП ничтожно мала, поэтому к числу основных параметров, необходимых при конструировании РЭА на базе ИС КМДП, она не относится. Указаннные параметры сведены в таблицу № 65.

13.3 Ключи, мультиплексоры и дешифраторы

Принципиальная электрическая схема ключа, выполненного на базе комплементарных МДП-транзисторов показана на рис. 302.

В качестве ключевых элементов используются два транзистора (рис 302 а), один из которых Т_n - с n-каналом, другой Т_p - с p-каналом. Подложка транзистора Т_n подключается к корпусу, а подложка транзистора Т_p подключается к клемме источника Е_c; тем самым исключается отпирание p-n - переходов канал-подложка.

Модель ключа (рис 302 б) содержит сопротивления утечки R_n и R_p транзисторов Т_n и Т_p соответственно, определяющие токи транзисторов в запертом состоянии.

Основные параметры ключей и мультиплексоров приведены в таблице 66. Основные параметры дешифраторов - в таблице 67.

13.4 Триггеры, счетчики, регистры

Принципиальная электрическая схема RS-триггера, построенного на базе КМДП-транзисторов, представлена на рис. 303.

Триггер построен на инверторах, образуемых комплементарными парами Т1, Т2, Т3, Т4, охваченными перекрестными связями. Переброс триггера можно осуществить путем подачи сигналов на входы R1 и S1 , связанные с затворами транзисторов Т5, Т7 и Т6, Т8, которые вместе с инверторами Т1, Т2 и Т3, Т4, образуют элементы ИЛИ-НЕ. В тактируемых системах входы R и S обычно используются для асинхронной установки триггера в требуемое исходное состояние. Переброс триггера при работе удобно осуществлять через входы R1, R2 и S1, S2, которые связаны с элементами И-НЕ, образованные транзисторами Т9, Т11, Т13, Т15 и Т10, Т12, Т14, Т16, подключив ко входам R1 и S1 выход генератора тактовых импульсов. Во время паузы между импульсами состояние триггера маняться не будет независимо от уровней потенциалов на входах R1 и S1.

В исходном состоянии транзисторы Т1 и Т4 закрыты, а Т2, Т3 - открыты. Входы R , R1 и S , S1 заблокированы низкими потенциалами на затворах транзисторов Т7, Т8, Т13 и Т14. При этом транзисторы Т5 и Т6 остаются открытыми и тем самым не препятствуют установке требуемого состояния триггера. При подаче информационного сигнала U_ц , соответствующего логической единице на вход К или одновременно на входы К1 и К2 транзисторы Т1 и Т4 отпираются, а транзисторы Т2 и Т3 - запираются. Состояния выходов Q и Q` меняется на противоположное друг другу.

Основные параметры триггеров КМДП приведены в таблице 68, счетчиков - в таблице 69, регистров - в таблице 70. Кроме того, в таблице 71 даны основные параметры преобразователей уровней и в таблице 72 - различных КМДП ИС.

Таблица 70

Таблица 71

Таблица 72

13.5. Условные обозначения и назначение микросхем КМДП Микросхемы типа ИП, ИД

Микросхемы типа ИК, ИМ

Микросхемы типа ИЕ

Микросхемы типа ИР

Микросхемы типа ЛЕ, ЛН, ЛА, ЛП.

Микросхемы типа СА, ПР, АГ и ГГ

Микросхемы типа ТМ, ТЛ, ТВ, ЛК, УМ, ЛС