013.Особенности схемотехники популярных микросхем технологии КМОП (Ответы на экзаменационные билеты (МСТ))

Особенности схемотехники популярных микросхем технологии КМОП

Широкое применение у радиолюбителей находят микросхемы структуры КМОП серии К561. Аббревиатура КМОП означает, что логические элементы этих микросхем построены на комплементарных полевых транзисторах структуры Металл-Окисел-По- лупроводник. Комплементарные — это пара транзисторов, идентичных по значениям электрических параметров, но с разной проводимостью. На рис. п3.1 показана схема простого логического элемента структуры КМОП — инвертора. Применение улучшенной (по сравнению с серией К176) технологии позволило повысить напряжение питания микросхем до 15 В, а нижний рабочий предел напряжения питания уменьшить до 3 В. Практически все функциональные элементы К176-Й серии (за исключением некоторых, типа К176ИЕ12, К176ИЕ13 и некоторых других) имеют аналоги в К561-Й серии.

Рис. п3.1. Логический элемент — инвертор

Быстродействие микросхем КМОП растет пропорционально увеличению напряжения питания. Отдельный логический элемент такой микросхемы должен потреблять лишь небольшой ток питания (десятки и сотни мкА), если на его входе присутствуют статические уровни (высокий или низкий).

В первом случае разомкнут р-канал (то есть между входом элемента и +и_пи1 большое сопротивление R_BX , более 10 Ом). Во втором случае (на входе низкий логический уровень напряжения) р-канал замкнут, но т.к. R_BX элемента очень велико, от источника питания 11_пит потребляется пренебрежимо малый статический ток высокого уровня 1_вых. Однако, если на вход такого логического элемента подать последовательность импульсов, а в цепь источника питания включить микроамперметр с пределом 100 мкА, можно установить, что с ростом частоты следования входных импульсов будет повышаться динамический ток потребления логического элемента 1_{пот дин}. Пик потребляемого элементом , тока приходится на момент, когда оба канала инвертора открыты. Средний уровень тока потребления 1_пот окажется тем больше, чем выше частота следования входных импульсов. Если последовательность входных импульсов прекратилась, ток l_n0T элемента опять становится пренебрежимо малым. При максимальной частоте импульсов на входе потребляемый ток элемента редко выходит за пределы 1,5…2 мА. Для серии микросхем К561 при 11_пит = 15 В типовое значение времени переключения (быстродействия) равно t_{p ср} = 50 не на инвертор при статической рассеиваемой мощности 0,4 мкВт на инвертор.

В родственной серии микросхем К1564 быстродействие повышено относительно К561 в 3…5 раз. Это достигается применением прогрессивной технологии при создании кристаллов (процессы ионной имплантации и замена металлических пленок областей затворов на полукремниевые). Поэтому микросхемы этой серии имеют быстродействие (переключение транзисторов) 10… 15 не, относительно 50 не у К561 серии. Быстродействие логических элементов микросхем К561 серии ограничено частотами 3…5 МГц.

Цифровые микросхемы должны быть устойчивы к пробоям от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Такая защита обеспечивается соответствующей структурой элемента. На рис. п3.1 видно, что такую защиту обеспечивают диоды VD1—VD6 и резистор R1, ограничивающий пиковый уровень тока зарядки конденсатора С1 в моменты скачков напряжения при переключении элемента. Диоды VD4—VD6 защищают выход инвертора от пробоя между р- и n-областями. Диод VD6 имеет пробивное напряжение 50 В, a VD4 — 25 В. Диод VD5 защищает канал от возможной ошибочной смены полярности напряжения питания.

Передаточные характеристики определяют помехоустойчивость элементов КМОП. Помехоустойчивость велика, так как для стабильной работы элемента допустимо напряжение помехи U_n0M до 30% от напряжения питания 1)_пит. Импульсная помехоустойчивость растет, если длительность входных импульсов помехи меньше, чем среднее время задержки распространения импульсного сигнала в микросхеме. При конструировании устройств на основе элементов КМОП необходимо, чтобы время фронтов нарастания и спада тактового импульса было бы меньше, чем 5… 15 мкс (тактовые импульсы на входе элемента должны иметь крутые фронты). Если фронт импульса длительный, пологий, инвертор КМОП долго находится в усилительном режиме и сквозной импульс тока отрицательно воздействует на структуру, способствует ее перегреву и разрушению.

Элементы КМОП микросхем К561 серии защищены от перегрузок и статического электричества не хуже, чем элементы серий ТТЛ.

На рис. п3.2 показана схема узла задержки (таймера), построенная на элементе И с инверсией микросхемы К561ЛА7. Вместо К561ЛА7 можно применить К561ЛЕ5. Эта микросхема содержит элементы ИЛИ с инверсией, что в данном случае не принципиально. При подаче питания на микросхему разряженный конденсатор С1 в первый момент практически не представляет сопротивления и напряжение питания приложено ко входу элемента. На выходе элемента, пока конденсатор не зарядился, — состояние низкого логического уровня. После заряда конденсатора С1 на выходе элемента установится состояние высокого уровня. Для циклической работы узла задержки необходимо замыкать выключатель S1 (разряжать конденсатор 01, подавая на вход логического элемента высокий уровень напряжения). Задержка обусловлена временем заряда конденсатора С1 до состояния насыщения через резистор R1. При питании схемы напряжением 15 В, что является пределом для микросхем серии К561, увеличении емкости времязадающего конденсатора С1 до 500 мкФ и увеличении сопротивления резистора R1 до 1 МОм и более (что необходимо для формирования длительной задержки импульса) — вход логического элемента оказывается перегружен.

Рис. п3.2. Узел задержки на одном логическом элементе

Рис. пЗ.12. Генератор нетипичных звуков

Узел состоит из двух генераторов. Генератор на элементах DD1.1, DD1.2 раскачивает второй генератор с переменной частотой в несколько Гц. Второй генератор на элементах DD1.3, DD1.4 настроен на частоту выходных импульсов в точке А около 1 кГц. Однако точно частоту рассчитать не удается, поскольку она «плавает» в зависимости от положения движка резистора R5. Устройство позволяет синтезировать практически весь спектр звуков от кваканья лягушки, мяуканья и завывания ветра в трубах до членораздельных человеческих фраз, например, «уйди», «иди», «дай», «лайка» и других простейших. Весь спектр звуков из-за их непредсказуемости и разнообразия вряд ли удастся зафиксировать человеческим слухом, однако сам факт такого схемного решения может иметь перспективу. Оптимальное напряжение питания прибора 4,5…5 В, при повышении 11_пит спектр получаемых звуков «беднеет» в сторону стандартных писков и завываний. Однако, узел работоспособен при повышении 1)_пит до 10 В. При приближении движка переменного резистора к верхнему (по схеме) положению генерация срывается. Конденсатор С1 неполярный, но может состоять из двух последовательно соединенных электролитических конденсаторов типа К50-6 емкостью 2 мкФ, включенных однополярно (плюс к плюсу или минус к минусу). Если есть динамический телефонный капсюль с сопротивлением катушки 1,6 кОм (ТОН 1, ТОН-2), схему можно упростить, подключив излучатель звука непосредственно к точке А. Качество звука при этом не падает. Автор использует эту нестандартную самоделку как детскую игрушку, которой дети очень рады. В качестве элемента питания используется отдельные автономные элементы питания, например, А20.

Для построения различных электронных узлов активно используются микросхемы, содержащие несколько инверторов. Такие микросхемы имеют повышенную нагрузочную способность. Примером могут служить микросхемы К561ЛН1, К561ЛН2, К561ПУ4, К561ПУ7, К561ПУ8. К561ЛН1 содержит шесть строби- руемых двухвходовых элементов ИЛИ с инверсией выхода (рис. пЗ.З). Каждый такой элемент имеет вход D_n и выход Q_n. Вторые входы элементов объединены и от общего вывода 12 (разрешение по входу Е1) подается разрешающий сигнал с активным низким уровнем. Если входной уровень на выводе 12 высокий, все выходы Qn независимо от состояния на входах имеют низкий выходной сигнал. Второй общий вход управления Е0 (разрешение по выходу) при высоком входном уровне переводит все выводы в состояние Z. Это высокоимпедансное состояние «разомкнуто» — выходное сопротивление более Ю МОм. Третье состояние упрощает сочетание выходов инверторов с шиной данных, не перегружая ее. Нагрузочная способность каждого такого элемента —два входа ТТЛ (1_вых = 3,2 мА). поэтому она часто используется как преобразователь уровня для устройств ТТЛ.

Особенность микросхемы К561ЛН2 в том, -по для нее необходимо лишь одно напряжение питания подаваемое на вывод 14. поэтому она удобна как транслятор логических уровней. Если на вывод 14 подавать 1)_пит = 5 В, то можно передавать уровни от КМОП к ТТЛ. Нагрузочная способность выходов у нее такая же, как у К561ЛН1. Очень большое входное сопротивление инверторов КМОП можно эффективно использовать в схемах сенсорных контактов. На рис. п3.4 показана RS-защелка (схема двух инверторов на микросхеме К561ЛН2) с двумя входами Е1, Е2, представляющими собой контактные площадки. Если коснуться их пальцем, наведенное в теле человека переменное напряжение изменит состояние выходов Q1 и 02 на противоположное. На

•  рис. п3.5 показана еще одна схема сенсорного переключателя с аналогичным принципом работы.

При конструировании схем необходимо принимать меры защиты элементов КМОП:

® Все входные сигналы не должны выходить за пределы напряжения питания 1)_пит (15 В) Если проектируются мультивибраторы (автогенераторы и ждущие), в них необходимо ограничивать токи перезарядки конденсаторов микроамперными уровнями, включая последовательные резисторы (как показано на рис. п3.2).

® Входы логических элементов КМОП не должны оставаться свободными. Их следует подсоединить к общему проводу (отрицательному полюсу источника питания) для исключения воздействия помех на задействованные элементы и другие узлы устройства.

*          В устройствах, состоящих из нескольких блоков, соединяемых между собой через разъемы, когда импульсы и питающее напряжение с одной печатной платы (блока) поступают на другую, следует предусматривать шунтирующие резисторы сопротивлением 20…40 кОм, подключенные к проводам положительного или отрицательного (зависит от конкретного узла) полюсам источника питания. Такое решение оправдано тем, что защищает узлы и отдельные микросхемы при внезапном разрыве разъемного соединения или плохого контакта в нем.

® Большинство микросхем КМОП (и все логические элементы) могут работать в паре с микросхемами ТТЛ, когда они имеют один источник питания. В этом случае следует подключать постоянный резистор сопротивлением 10…20 кОм от входа элемента КМОП на вывод питания микросхем ТТЛ +5 В. Если микросхемы электронного узла питаются разными напряжениями, в таких схемах следует применять микросхемы-преобразователи уровня (например, К561ПУ4 К561ПУ7, К561ПУ8). В некоторых случаях преобразователями уровня могут служить буферные элементы К561ЛН1, К561ЛН2, К564ЛН1, К564ЛН2 (последние имеют другой корпус). Обусловлено такое решение, кроме разной амплитуды напряжения питания относительно общего провода, тем, что высокий и низкий уровни КМОП и ТТЛ различны. КМОП — напряжение высокого уровня 3…15 В (1)_пит), низкого уровня — О В. ТТЛ — высокий уровень не менее 2,3 В; напряжение низкого уровня не более 0,3 В (при 11_пит = 5 В).

® Особое внимание следует уделять защите выходов элементов КМОП. Замыкание выходов буферных элементов микросхем (например, К561ЛН2, К564ЛН2) с большим выходным током на общий провод или положительный провод источника питания может вывести микросхемы из строя.

® Соединять выходы обычных (не буферных) элементов микросхемы КМОП непосредственно друг с другом нельзя, поскольку может произойти замыкание одного из каналов элемента на положительный полюс источника питания, что выведет микросхему из строя.

» Если требуется параллельное соединение входов и выходов логических элементов, необходимо, чтобы они были частью одной микросхемы.

® Нельзя применять емкости нагрузки С_н больше 5000 пФ для буферных элементов КМОП. Такое же правило действует для других КМОП-элементов, задействованных в оконечном узле устройства с питающим напряжением 15 В, поскольку незаряженный конденсатор такой емкости в первый момент после включения пропустит ток, равный току замыкания. Это может вывести элемент и микросхему из строя.