Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987) (1092081), страница 34
Текст из файла (страница 34)
В выключенном состоянии нижний транзистор имеет очень высокое сопротивление и на выходе появляется сигнал высокого уровня. 204 Глава 4 Нагрузочный (верхний) транзистор действует как истоковый повторитель, в результате чего выходное напряжение вентиля не превышает напряжения питания, уменьшенного на величину порогового напряжения У... МОП-транзистора. МОП-инвертор с МОП-резистором в качестве нагрузки потребляет небольшую мощность, которая, тем не менее, велика, чтобы осуществить реальную интеграцию в больших размерах.
В широко применяемых системах памяти с произвольным доступом на базе МОП-элементов и в микропроцессорах потребляемую мощность необходимо ограничивать таким образом, чтобы на одном кристалле можно было разместить несколько тысяч транзисторов. В ЗУ потребляемая мощность ограничивается тем, что в качестве запоминающих ЗУ используются МОП-конденсаторы, что позволяет обойтись меньшим числом транзисторов в ячейке ЗУ, а это приводит к увеличению плотности упаковки. В таких динамических ЗУ, обеспечивающих объем памяти 64000 бит на один кристалл, внутренние МОП-конденсаторы необходимо периодически подзаряжать, так как со временем они разряжаются. Мощность в таких ЗУ потребляется только во время подзарядки и во время считывания записи.
В статических МОП-ЗУ, ячейками которых являются триггеры, необходимо использовать элементы с большой площадью, что связано как с большими размерами ячеек, так и с рассеянием мощности. Эти ЗУ не нуждаются в подзарядке, поэтому можно обойтись меньшим числом внешних схем, которые обычно требуются для подзарядки. Хотя площадь статической ячейки превышает площадь соответствующей динамической ячейки, в настоящее время удается благодаря усовершенствованной технологии получить ЗУ с объемом памяти 8000 бит на один кристалл. МОП-ЗУ относятся к разряду «энергозависимых», т. е.
при выключении питания в них информация разрушается (в ЗУ на ферритах информация в этих же условиях сохраняется). Полупроводниковые ЗУ рассмотрены более подробно в т. 3 (гл. 2). Недостатком полевых МОП-транзисторов с алюминиевым затвором является довольно высокое пороговое напряжение, поэтому приходится использовать повышенное напряжение питания, которое влияет на быстродействие схем, Кроме того, возникают проблемы при объединении МОП-транзисторов с бнполярнымн цифровыми схемами, такими, например, как ТТЛ. При более высоком напряжении питания возрастает также потребляемая мощность. Влияние величины напряжения питания на быстродействие схемы объясняется тем, что в процессе зарядки паразитных выходных емкостей напряжение достигает уровня переключения 205 Семейства логических схем тем быстрее, чем ниже напряжение питания.
Высокое пороговое напряжение определяется контактной разностью потенциалов между алюминиевым затвором и слоем кремния, расположенным под ним, причем эта разность потенциалов действует в обратном направлении. Контактную разность потенциалов можно уменьшить на 1 В и больше, заменив алюминиевый затвор на р+-затвор из кремния и, кроме того, используя между затвором и каналом проводимости слой диэлектрика с большей диэлектрической постоянной (например, слой нитрида кремния). 4.27. КМОП-схемы Для существенного снижения потребляемой мощности в логических МОП-схемах и повышения их быстродействия была разработана новая модификация логических МОП-схем, известная под общим названием КМОП-схем, которые разрабатываются фирмами цСА, Мо(ого!а и РЫ!)рз в виде серий СОЗМО5, МсМО5 и ~.ОСМО3.
На рис. 4.39 показана базовая схема КМОП-инвертора. Если в этой схеме на вход подается напряжение высокого уровня, напряжение на затворе Т1 превысит пороговое,а напряжение на тсстйт астр Ьгм сти' йс Рвс. 4.39. Базовая схема КМОП-ва- вертора. затворе Т2 будет меньше порогового. При этом Т1 становится проводящим, а Т2 запирается.
Выход схемы замыкается на землю (низкий уровень) через Т1 ( 300 Ом), И наоборот, если на вход подается напряжение низкого уровня, проводящим оказывается Т2, а запирается Т1. Выход схемы замыкается на шину Уе через сопротивление Т2, равное 500 Ом. Ток запнрания в канале обоих транзисторов не превышает 1 нА. Кроме того, нагрузка, образованная другими МОП-схемами, благодаря изолированному затвору будет мала. Входной ток определяется током утечки между затвором и каналом проводимости и составляет ( 1 нА. Глава 4 На рис. 4.40 и 4.41 приведены КМОП-схемы ИЛИ-НЕ н И-НЕ соответственно. Если в схеме ИЛИ-НЕ на оба входа поданы напряжения низкого уровня, то ТЪ и Т4 запираются. Входное напряжение обоих транзисторов не превышает пороговое. И наоборот, для верхних последовательно включенных р-канальных транзисторов пороговое напряжение будет превышено и оба транзистора алттв Рис.
4.40, КМОН-схема ИЛИ-НЕ с таблиией истиииости. будут открыты. Таким образом, на выходе схемы появится напряжение высокого уровня. Если на один или на оба входа подано напряжение высокого уровня, открытым всегда будет нижний транзистор, а запертым — верхний транзистор. В результате на выходе схемы появится напряжение низкого уровня. Поведение этой схемы определяется таблицей истинности, приведенной на рис. 4.40 (справа). В отличие от схемы ИЛИ-НЕ в схеме И-НЕ верхние транзисторы с каналами р-типа включены параллельно, а нижние транзисторы с каналами и-типа — последовательно. Если на один или оба входа подано напряжение низкого уровня, один из нижних транзисторов всегда будет заперт, а один из верхних открыт.
На выходе появляется напряжение высокого уровня. И только в том случае, когда на оба входа одновременно подано напряжение высокого уровня, открываются оба нижних транзистора и запираются оба верхних. В результате на выходе схе- Семейства логических схем мы появляется напряжение низкого уровня. Поведение этой схемы И-НЕ определяется таблицей истинности, приведенной на рис. 4.41 (справа).
Из таблицы истинности для схемы ИЛИ-НЕ можно сделать вывод, что эта схема обеспечивает функцию ИЛИ-НЕ для сигналов высоких уровней и функцию И-НŠ— для сигналов низких уровней. В случае схемы И-НЕ мы получаем функцию +1ее в:: с=а Рис.
4.4Ц КМОП-схема И-НЕ с таблицей истинности. И-НЕ для сигналов высокого уровня и ИЛИ-НŠ— для сигналов низкого уровня. На рис. 4.42 приведены графики диапазонов помехоустойчивости, на которых стандартные ТТЛ-схемы сравниваются с КМОП-схемами при напряжении питания 5 В. Для ТТЛ-схем помехоустойчивость равна 0,4 В для высокого и низкого уровней, а для КМОП-схем она равна 1,5 В. Помехоустойчивость для КМОП-схем зависит от напряжения питания и увеличивается с его ростом.
Благодаря этому помехоустойчивость можно выразить в виде доли напряжения питания (рис. 4.43). Динамическое рассеяние мощности вызвано током, который течет через оба транзистора одновременно во время переключения, а также прямым и обратным токами, протекающими прн зарядке и разрядке паразитных емкостей, таких, как монтажные емкости и входные (выходные) емкости МОП-схем. 208 Глава 4 И' ~у«. виг и,- — — г-/ -П-'"-----'-'-'-- йЫНРНЕН КНРНтЕРНЕП/ //а О«ЕОНЕН «ЕРЕ«П/ЕРНЕП/ Хо й 7/ / аг мон //а о«г Мана р///«ерная «ерек- Цу Впднен «прпн~р и/ернеп/нее ', лрне/пенн Ььа / «г мон 4И ". д 'с»»» $ ~дну а ' а Ееяооль яогоггско. го напаял гноя ногкага аноаня //о //ак мана „,а Уемх «енпн г / Рис, 4.42, Помехоустойчивость дли ТТЛ- и КМОП-схем.
Ток переключения в обоих оконечных транзисторах КМОП- схемы обычно не создает трудностей по сравнению с рассеиваемой мощностью, возникающей за счет зарядки и разрядки паразитных емкостей. В большинстве МОП-схем в динамическом режиме рассеиваемую мощность можно вычислить по формуле Рв»»=Си г/в+'~, где С,— эффективная выходная емкость (включая емкость нагрузки), выраженная в фарадах, с/в — на- »,» ф,о <»»ч /ф $~~р ~~ Во 4 'а / ~йа гт оаг Гт а 1"! о ~~ //внк Ъ «ипп -------------- «япп 20% Свмгиства логических схем пряжение питания и ) — частота. Рассеиваемая мощность Р„, выражается в ваттах.
Так как выходная емкость заряжается и разряжается в диапазоне от 0 до Ув, рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключения, емкости нагрузки и квадрату напряжения питания. КМОП-схемы разделяются на две группы: А и В. Группа А характеризуется напряжением питания от 3 до 15 В, а груп- — — — — бг -с4 Ш=сУг дв ! В гмх ьуеавай у~адень — — с'0% Ц~= У~„(тн) Неанаеаввеннан аапааупь да% ое=Ы~ана) Нузвай урааень - - да у пу=Ехвс/х а На ус7 ув =й-:ум Рис. 4.43. Помехоустойчивость для КМОП-схем при напряжении питания 3 — !5 В. па  — напряжением питания от 3 до 18 В.
При этом предполагается, что напряжение питания стабилпзировано. В случае нестабилизированного напряжения питания указанный диапазон следует увеличить на 2 — 3 В, чтобы учесть большие колебания напряжения, вызванные изменением нагрузок. В качестве нижнего предела лучше выбрать напряжение на 1 В выше, особенно если соответствующие КМОП-схемы предполагается использовать в качестве линейных усилителей.
При изменении полярности напряжения питания КМОП-схемы выходят из строя. Из анализа защитной цепи с диодами'> на входе КМОП-элемента (рис. 4.44) следует, что если на его вход подается напряжение от источника с низким внутренним сопротивлением, а напряжение питания от него отключено, это также приводит о Речь идет о р — л-переходе, который изолирует рабочие области полевого транзистора !исток, канал, сток) от основной массы кристалла (подложки). — Прим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
