Токхейм Р. - Основы цифровой электроники (1988)(ru) (775262), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Запас помехоусзойчивости Шум в пифровой системс представляет собой нежели- тельные мета«нине напряжения, наводимые в соединительных проводах и проводниках на печатных платах; они могут влиять па входные логические уровни, приводя к неверным выходным сигналам. Рассмотрим диаграмму на рис.
372 приложение а Входные ~ЦВ В Фактическое входное напряжение ГНИЗКИЙ уаоеенх> А.1. На ней представлены границы НИЗКОГО, ВЪ|СОКОГО и неопрелеленно>о уровней для входов ГГЛ-мтткросхем. Если, нат>ример, фактическое входное напряжение равно 0,2 В, то область надежной работы, опрелеляемая интервалом напряжений между величиной входното си>нала и нижней границей зоны неопределенного уровня, равна 06 В (08 — 02=0,6 В).
Это так называемый зилас помехты устойчивости. Другими словами, чтобы вхолной сигу>а>т попал в запрещенную область неопределенного уровня к фактическому значению входного напряжения (НИЗКИЙ уровень или в ланном случае 0,2 В), нужно добавить более чем +0,6 В. На практике запас помехоустойчивости даже еще больше, поскольку напряжение должно превысить лоро; лсрекг>к>чслтт>т, равный 1„2 В, как это видно из рис.
А.!. При фактическом значении НИЗКОГО уровня, равном 0,2 В, и пороге переключения около 1,2 В реальный запас помехоустойчивости составляет ! В (1,2 — 0,2 = ! В). Запас помехоустойчивости является рабочей характеристикой отдельных семейств ИС. В КМОП ИС он особенно высок, вследствие чего о них товорят как о семействе >тт>л>схт>- устойчивых ИС. ТГЛ ИС менее помехоустойчивы по сравнению с КМОП ИС.
Время задержки ряс>тра>страиения сит нала Скорость (быстрота) раткцтти микросхемы на изменение состояния ее входов одна из важных характеристик, которую нужно принимать во внимание в тех применениях цифровых ИС, где требуется высокое быстродействие. Рассмотрим временные диаграммы сигналов на рис.
А.2. Верхняя диаграмма показывает изменение сигнала на входе обычно- Запас па помеитРнс. Л.т. Входные логические уроним усюиниеости ттл-микросхем, обесаечнааююне запас оо- мехоустойчиности л агинеские урОВни ТТП '  — т 4В ->' З — — — — -1> ">и Г>апас т о 1 2 В Порог е > т- переклхюнения ,"! — ) В В >Зем..я! приложение А Виход Рнс. А.з. Временные днахраммы сигналов длн станлартноз'о ТТЛ-инвертора, иллюстрнруюхние задержку расиространення сигнала. г„,„м Занс 7 „„15нс го инвсртора при переходе от НИЗКОГО уровня к ВЫСОКОМУ с послелуюгцим обратным переходом от ВЫСОКОГО уровня к НИЗКОМУ. Нижняя диаграмма показывает выходной отклик инвертора на такое изменение состояния входа.
Небольшая временная задержка между моментами изменения сигналов на входе и выходе инвертора называется нремснем задержки рги:лростриненил сигнала. Эта величина измеряется в секундах. Время задержки распространения сигнала для перехода от НИЗКОГО уровня к ВЫСОКОМУ на входе" отличаемся от времени задержки распространения сигнала для перехода от ВЫСОКОГО уровня к НИЗКОМУз'. Эти времена указаны на рис. А.2 для стандартного инвертора 7404 семейства ТТЛ. Время задержки распространения сигнала для стандартного ТТЛ-инвертора (такого, например, как ИС 7404) равно 22 нс для перехода от НИЗКОГО уровня к ВЫСОКОМУ и всего лишь 15 нс для перехода от ВЫСОКОГО уровня к НИЗКОМУ.
Времена задержки распространения сигнала изменяются от 3 — 5 нс для микросхем ТТЛ-семейства с диодами Шоттки (ТТЛШ: ИС 74504) до 30 — !00 нс для КМОП ИС (ИС 74С04). Чем меньше времена задержки для данной ИС, тем выше ее быстродействие. ИС семейства ТТЛ более быстродействующие по сравнению с КМОП ИС. Рассеиваемая мощность Как правило„при уменьшении времени задержки распространения (увеличении быстродействия) возрастает потребляемая мощность и связанная с ней генерация тепла. Сверхбыстродействующие ТТЛ ИС с диодами Шоттки (ТТЛШ ИС) потребляют около 19 мВт на логический элемент (ключ), тогда как менее быстродействующие КМОП ИС потребляют всего лишь 0,01 мВт на ячейку. Многие разработчики считают, что в микрояюн7ных 7 ГПШ ИС идеально сочетаются быстродействие и малая потребляемая мощность.
Типичный микромощный ТТЛШ-вентиль потребляет 2 мВт и характеризуется временем задержки распространения чуть меньше 10 нс. Микромощные ТТЛ- схемы потребляют в 5 раз меньшую мощность по сравнению со стандартными ТТЛ-схемами, но практически не отличаются от них по быстродействию. " Так называемое время включения.— 77рнм. лерга з' Илн времени задержки выключения.— 77рилс нерея Приложение Б МОП- и КМОП- схемы МОП ИС Полевой МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения, образует исходную структурную ячейку МОП ИС. Ввиду своей простоты МОП-ячейка занимает очень малую плошадь на кристалле.
Следовательно, при использовании МОП-технологии удается создать микросхемы с ббльшей степенью интеграции по сравнению с биполярными ИС (такими, например, как ТТЛ ИС). Высокая плотность расположения МОП-ячеек на кристалле обусловливает широкое использование МОП-технологии при изготовлении СИС и СБИС: микропроцессоров, запоминающих устройств и БИС для цифровых часов. МОП-схемы обычно строятся или на р-канальных МОП-транзисторах или на более новых, быстродействующих л-канальных МОП-транзисторах. МОП ИС меньше по размерам, потребляют меньшую мощность, обладают большим запасом помехоустойчивости и имеют ббльший коэффициент разветвления по выходу по сравнению с биполярными ИС.
Основной недостаток МОП-устройств -их относительно небольшое быстродействие. КМОП ИС В состав ко.инлементарвой МОО-ячейки (КМОП-ячейки) входят как р-канальный, так и и-канальный МОП-транзисторы, связанные в комплемеиглирвую (взаимно дополняющую) пару. Отличительная особенность КМОП ИС вЂ” исключительно низкое энергопотребление. Кроме того, КМОП ИС имеют и такие преимущества, как низкая стоимость, простота конструкции, малые тепловые потери, хорошая нагрузочная способность, широкий интервал логических уровней и хорошие шумовые характеристики.
Цифровые микросхемы КМОП-семейства работают в широком диапазоне питающих напряжений (от + 3 до + 15 В). Основной недостаток КМОП ИС-меньшее быстродействие по сравнению с биполярными цифровыми ИС (такими, например, как ТТЛ ИС). Кроме того, при использовании КМОП ИС нужно принимать дополнительные меры по их защите от статического электричества. Статический электрический заряд или напряжение, появляющееся в цепи во 375 пеиложенив Б время переходного процесса, могут вызвать повреждение очень тонких слоев двуокиси кремния внутри МОП-ячейки. Слой двуокиси кремния выполняет функцию диэлектрика в КМОП-конденсаторе и может быть пробит в результате воздействия статического разряда или напряжения переходного процесса.
В связи с проблемой статического разряда для лабораторных работ вместо КМОП ИС целесообразно использовать биполярные ТТЛ ИС. Если же вам все-таки придется работать с КМОП ИС, то, как рекомендуют фирмы-изготовители, для предотвращения повреждения этих микросхем под действием статического разряда и напряжений, возникающих при переходных процессах, нужно придерживаться следующих правил: 1. Хранить КМОП ИС в специальных проводящих фулмярах. 2. При работе с КМОП-схемами использовать паяльники с батарейным питанием или заземлять жало паяльника при его питании от источника переменного тока. 3. Произвоцить перепайку выводов или удалять КМОП ИС только при отключенном питании.
4. Обеспечивать такой режим работы, чтобы входные сигналы не превышали напряжения питания. 5. Не подавать входные сигналы после отключения питания. 6. Присоединять все неиспользуемые входы микросхемы к положительному полюсу источника питания или к общему проводу (земле), в зависимости от типа и назначения входов (свободными можно оставлять только неиспользуемые ныхос)ы КМОП ИС). 1цсс1 1 — О ивмг , 'ге —-- и,„о— Рис. Б.1. Структура комнлементарной КМОП-нчейнн (иоследоаательное соелинение р-канального н л-канального МОП-граненого рон).
---' им~э ) Исключительно малое энергопотребление делает КМОП ИС идеальными микросхемами для использования в портативных уст.ройствах с батарейным питанием. КМОП ИС находят широкое применение в наручных электронных часах, микрокалькуляторах и космических летательных аппаратах. Структура типичной КМОП-ячейки показана на рис. Б.1. Верхняя половина ячейки представляет собой р-канальный МОП-транзистор, нижняя — п-канальный МОП- ПРиложгииь я транзистор. Оба МОП-э ранзист ори работают в режиме обогащения.
Когда на входе ячейки (входное напряжение (7»х) установлен НИЗКИЙ уровень напряжения„ верхний МОП-транзистор открьгг, а нижний - закрыл. Таким образом, на выходе ячейки (выхолнос напряжение (/вых) действует ВЫСОКИЙ уровень. Однако нри ВЫСОКОМ уровне на входе ячейки огкрыт нижний МОП-эранзистор, а верхний закрыт. Следовательно, в этом случае на выхоле ячейки мы имеем НИЗКИЙ уровень. Ячейка, изображенная на рис.
Б.1, действует как инвертор. Обратиге внимание, что вывод (7оо КМОП-ячейки соединен с плюсом источника питания. Эго ~ вывол некозорыми изготовителями обозначаегся как (7с~ (как в ТТЛ ИС). Напряжение Гво это напряжение стока в МОП-транзисторе (индекс 0 от английского слова )эгаи-. сток). Вывод Гх» КМОП-ячейки соединен с минусом источника питания. Этот вывод некоторыми изгозовигелями обозначается как «земля» (как в ТТЛ ИС). Напряжение (7як эго напряжение истока в МОП-транзисторе (индекс э' от ашлийско~о слова 5оигсе. исвгок). КМОП ИС обычно рассчи ганы на пизание от источника с напряжением 9, 1О или 12 В. КМОП ИГ могут работать и оз исзочника с напряжением +5 В, как и устройства на ТТЛ ИС.
Семейство КМОП ИС довольно обширно и, но-видимому, будет еще больше расширяться. В классах малых ИС и средних ИС общераспространенной является серия логических микросхем 74СОО. Логические микросхемы серии 74СОО один к одному (как цо расположению выво,юв„так и но функциональному назначению) повторяют ТГЛ-микросхемы серии 7400. Например, ТТЛ ИС 7400 представляет собой четыре лвухвхоловых логических элемщпа И- НЕ в одном корпусе, точно зак же, как и КМОП ИС 74СОО. При изготовлении ИС 7400 использована биполярная технология„цри изготовлении ИС 74СОО КМОП-техноло~ия. Очень широко используются также логические КМОП ИС серии 4000. Эта серия цифровых КМОГ1 ИС представлена малыми ИС и СИС.
Серии 74С00 и 4000 цифровых микросхем охватывают собой все мног ообразие логических элеменэов, буферов, триыеров, сумматоров, счетчиков, регистров сдвига, шифрагоров и лешифраторов. КМОП БИС включают в себя буферы, регистры последовательного приближения, сппические ЗУПВ, ГППЗУ, многоразрядные устройства управления инликаторами, вняло~ о-цифровые преобразователи, цифровые вользмезры и цо меньшей мере олин микропроцессор. Сопряжение КМОП- и ПЛ-устройств Логические уровни (напряжения) для КМОП ИГ и ТТЛ ИГ определяются по-разному. Обратитесь вновь к рис. 1.18 приложение б и всномните, как определя1отся НИЗКИЙ и ВЫСОКИЙ логические уровни 1щя этих двух тинов ИС. Из-за различия в уровнях нга1рлэггений КМОГ1 ИС и ГГЛ ИС обычно не допускают простого соединении друг с другом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
