Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Таким образом, немного перегруженная схема может правильно работать в идеальных условиях, но опыт говорит о том, что нас ждет неудача, как только устройство окажется не в столь благоприятных условиях, как в исследовательской лаборатории. 3.5.6. Неиспользуемые вход:- Иногда используются не все входы логического вентиля. В реальной конструкции может возникнуть проблема, когда вам необходим вентиль с н входами, а в наличии имеется только вентиль с и+1 входами. Если в схеме с и+! входами объединить два входа, то это позволит ей работать в качестве схемы с и входами. Сейчас можно убедиться в этом интуитивно, а в дальнейшем, после изучения параграфа 4.1, вы сможете доказать это, используя алгебру переключений.
На рис. 3.35(а) приведена схема И -НЕ с объединенными входами. Можно также подать на неиспользуемые входы постоянные логические значения. На неиспользуемый вход схем И и И-НЕ следует подать логическую 1, как показано на рис. 3.35(Ь), а на неиспользуемый вход схем ИЛИ и ИЛИ-НЕ необходимо подать логический О, как на рис. 3.35(с).
В быстродействующей схеме обычно лучше применять способы, указанные на рис. (Ь) или (с), а не на рис. (а); в послелнем случае увеличивается емкостная нагрузка нале!!тиль. к вых 142 Глава 3. Цифровью схемы схема подключена„и это может замедлить его работу. В вариантах (Ь) и (с) обычно используется резистор с сопротивлением в диапазоне от 1 ло 10 кОм; к одному такому резистору можно подклю <ить несколько неиспользуемых входов. Можно также соединять неиспользуемые входы непосредственное шиной питания и землей соответственно. (Ь) пзв (с) х (а) х-~"~ ~~Π— г 7 х йв Неиспользуемые входы КМОП-схем никогда не следует оставлять ни к чему не подключен ными.
С одной стороны такой плавающий вход (У)аа«пд <при<). будет вести себя так, как будто к нему приложен низкий уровень сигнала, и обычно осциллограф или вольтметр, подключенные к такому входу, показывают значение О В. При этом можно подумать, что неиспользуемый вход схем ИЛИ и ИЛИ-НЕ можно оставлять плавающим, потому что схема будет вести себя так, как будто на этот вход подан логический О, и он не влияет на выходной сигнал вентиля. Но входное сопротивление КМОП-схем очень велико, поэтому достаточно совсем небольшого шума, чтобы время от времени незаземленный вход вел себя так, как если бы на нем был высокий уровень, создавая тем самым некоторые крайне неприятные неустойчивые состояния схемы. КОВАРНЫЕ ОШИБКИ Плавающие входы КМОП-вентилей часто являются причиной таинственного поведения схемы, поскольку из-за шума потенциал неиспользуемого входа хаотически изменяется и эти изменения сказываются в других местах схемы.
Когда вы пытаетесь устранить эту проблему и касаетесь щупом осциллографа незаземленного входа, то дополнительной емкости щупа часто бывает достаточно, чтобы ослабить шум и ликвидировать проблему. Если не догадаться, что во всем виноват илавиощий вход, то это может сильно сбивать с толку! 3.5.7. Броски тока и развязывающие конденсаторы Когда сигнал на выходе КМОП-вентиля переключается между низким и высоким уровнями, ток течет от шины питания к' . к земле через частично открытые р- и сс п-канальные транзисторы.
Это явление, часто называемое из-за его непродолжительности броска ни <пака (сиггеп< зр<кез), может выгл алеть как шум на шине питания КМОП-схем, особенно при одновременном переключении на многих выходах. Рис. З.З5. Неиспользуемые входы: (а) объединение с другим входом; (Ь) схема И-НЕ с одним из входов, подключенным к шине питания; (с) схема ИЛИ-НЕ, один из входов которой заземлеи З.б. Электрические характеристики КМОП-схем 143 По этой причине в системах, построенных на основе КМОП-схем, требуются ~«язы«ающие конденсаторы (йесаир)тд сарасГГогл), включаемые между шиной питания Р и землей.
Эти конденсаторы должны быть распределены по всей сс схеме, по крайней мере, по одному в пределах дюйма или у каждой микросхемы, чтобы служить источниками тока во время переходов. Фильтрующие конденсаторы ф(ген!пЕ сарасдага) большой емкости, обычно находящиеся в самом блоке питания, неудовлетворяютэтомутребованию, потому что паразитная индуктивность проводов не позволяет току нарастать достаточно быстро, из-за чего возникает необходимость в физически распределенной системе развязывающих конденсаторов. 3.5.8. Как испортить КМОП-схему ударьте по ней кувалдой. Или просто пройдитесь по ковру, а затем коснитесь пальцем входного вывода.
Поскольку входы КМОП-устройств имеют очень большое сопротивление, их можно разрушить электростатическим разрядам (е)есггожабс йюсйагде, ЕЕО). Электростатический разряд наблюдается в том случае, когда при накоплении заряда на одной из поверхностей происходит пробой диэлектрика, разделяющего эти поверхности. В случае входа КМОП-схемы диэлектрик изолирует затвор транзистора от истока и стока.
Электростатический разряд может нарушить эту изоляцию, вызывая короткое замыкание между входом и выходом схемы. Для повышения устойчивости входных цепей к электростатическому разряду в современных КМОП-схемах принимаются различные меры, но полностью защитить схему нельзя. Поэтому для предохранения КМОП-схем от электростатическогоо разряда во время транспортировки изготовители обычно упаковывают их в коробки, трубки или вспененную массу из электропроводящих материалов. Чтобы предотвратить повреждение схем электростатическим разрядом при работе с распакованными КМОП-схемам н, монтажники и техники обычно надевают на запястье проводящий браслет, который соединен спиральным проводником с заземлением; это обеспечивает стекание статического заряда, который может накопиться на теле человека при его передвижении по производственному помещению или полаборатории. Как толью КМОП-схема установлена в систему, появляется другой возможный источник повреждения — защелки«ание(!агсЬ-ир).
В реальной входной цепи почти любого КМОП-устройства между шиной питания К и землей образуются сс парюитные би полярные транзисторы, представляющие собой «кремниевые упРавляемые диоды» (тиристоры). При нормальной работе устройства такой «паразитны й тирисюр» не оказывает никакого влияния. Однако в случае, когда входное напряжение оказывается ниже уровня земли или выше напряжения питания Р сс тиристор может «запуститься», фактически закорачнвая цепь между шиной питания и землей. Если тиристор открыт, то единственным способом закрыть его является отключение питания. Прежде, чем у вас появится возможность отключить ""талие, может рассеяться мощность, достаточная для разрушения схемы (при этом может пойти дым). 144 Глава 3.
Цифровывсхвыы НЕ ДОПУСКАЙТЕ НЕАККУРАТНОГО ОБРА1ЦЕН ИЯ1 В лаборатории ради безопасности следует соблюдать определенные меры предосторожности, связанные с возможностью электростатического разряда, хотя некоторые разработчики и не считают необходимым терпеть возникающие при этом неудобства: Перед началом работы с КМОП-схемой коснитесь металлического корпуса заземленного прибора или другого места заземления.
Перед транспортировкой КМОП-схемы вставьте ее в электропроводящий пенопласт. При переноске платы, содержащей КМОП-схемы, возьмите ее за края и, прежде чем будете что-нибудь делать с ней, коснитесь заземления зе мляным выводом платы, При передаче КМОП-схемы коллеге, особенно в сухой зимний день, сначала коснитесь его. Он нли она только скажут вам за это спасибо.
Одной из возможных причин защелкивания являются «отрицательные выбросы», возникающие при очень быстрых переходах сигнала от высокого уровня к низкому, рассматриваемые в параграфе 11.4. В этом случае входной сигнал перед достижением нормального низкого уровня может опуститься ниже уровня земли на нес колыю вальт. Правда в современных КМОП-вентнлях имеются специальные цегнь предотвращающие защелкнвание при таком кратювременном процессе. Защелк и ванне может наступать также в том случае, когда сигналы поступают на входы КМОП-схемы с выходов другой системы или подсистемы с отдельным источником питания. Если на вход КМОП-схемы подан высокий уровень до того, как включен источник питания, то при включении питания вентиль может перейти в «защелкнутое» состояние.
Отметим снова, что современные логические КМОП-схемы изготовлены так, чтобы в большинстве случаев предотвратить это явление. Если, однако, выход предыдущей схемы способен выдать большой ток (например, десятки мА), то защелкивание все же возможно. Одно из решений этой проблемы состоит в том, чтобы включать источник питания до присоединения входных кабелей. 3.6. Динамические свойства КМОП-схем Как быстродействие КМОП-схемы, так и потребляемая ею мощность в значительной степени зависят от ее характеристик по переменному току илн динамических характеристик, а также от нагрузки, то есть оттого, что происходит при изменении уровня сигнала на выходе.
Частью разработки внутренней структуры специализированных интегральных КМОП-схем должно быть тщательное исследование влияния нагрузки на функционирование выходных цепей, и схему необходимо переделать, если нагрузка слишком велика. Даже на уровне разработки плат необходимо учитыватьвлияние нагрузкинасигналы синхроннзапни,сигналы, передаваемые по шинам, и на другие сигналы, поступающие с выхода схем с большим коэффициентом разветвления, а также в том случае, когда разводка осуществляется длинными соединениями, 3.6. динамические свойства КМОП-схем 146 Быстродействие схемы зависит от двух параметров: от времени переходного цроцесса и от задержки распространения сигнала; этим двум вопросам посвящены следующие два раздела.
Рассеяние мощности рассматривается в третьем разделе. Э.6.1. Длительность переходного процесса Время, в течение которого сигнал на выходе логической схемы изменяется от одного уровня до другого, называется временем переходного процесса (ггап»111ап 1)те) На рис. 3.36(а) показано, как могло бы вьплядеть изменение выходного сигнала при нулевом времени переходного процесса. Однако реальные выходные сигналы не могут изменяться мгновенно, потому что необходимо время для заряда паразитной емкости между проводами н емюсти других компонентов, иа юторые подаются эти сигналы. Более реалистичный вид выходного сигнала изображен парис, 3 36(Ь).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
