Популярные цифровые микросхемы (944146), страница 33
Текст из файла (страница 33)
(2. 4] По-другому, быстродействие микросхем на базе однополюсных полевых ключей ие должно превышать 150 кГц (что и подтвердилось практикой). Если перевести движок в крайнее верхнее положение, на выходном проводе появится пулевое напряжение О ям„=б, потому что теверь из канал будет замкнут, а р-канал разомкнется. Когда на затворы от движка поступает среднее напряжение Пв в/2, выходное напряжение также окажется близким к У» ь/2, если сопротивления каналов примерно равны (мо» = Езч) . На рис. 2.3, б показана результирующая передаточная характеристика инвертора КМОП (), .((/,.). Точки изломов характеристики соответствуют пороговым напряжениям включения п- и р-канала, т.
е. в 1)во,„. Для анализа работы ннвертора ПТГ1 воспользуемся управляющим переключателем 81 (рис. 2.3, з). На рис. 2.3,г показано, что прв высоком уровне, поступающем от 51 на оба затвора, т. е. на вход инвертора ПО1, верхний р-канальный транзистор Х/П как бы оборван, а нижний ЧТ2 эквивалентен сопротивлению канала Е».
Рисунок 2.3, д вллюстрирует подачу на вход внвертора низкого логического уровня. Замкнется верхний транзистор Ъ'Т!, через его сопротнвленве Екв на выход поступит напряжение высокого уровня. Важно, что нижней транзистор гГТ2 оборван. На рнс.2.3, е отображен эквввалент выходной цепв ннвертора ПО1. Это переключатель 82. Чтобы получить более полное представленве о снойствах входной и выходной цепей КМОП-инвертора, полезно рассмотреть поперечное сечение того участка кремнвевой п-подложки, где он расположен. Такой эскиз показан нз рис. 2.4, а, Следует учесть, что по горизонтали размер этой структуры ие более 50 мкм, а по вертикали менее 10 мкм (толщина в буквальном смысле несущей п-подложки 300 мкм). Вблизи поверхности подложки расположена диффузионная область р-примеси, чтобы сделать «карман».
Знаками рь обозначены области истока н стока Е -канального МОП-траизистора с повышенной концентрацией дырок. ля и-канального МОП.транзистора сделаны в акарманеь две высоко- легированные и+-области. Здесь избыток электронов, это области истока и стока. С помогцью металлизацнн поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора ПО1 (рис. 2.4, б), К затворам врнсоединен защитный стабилнтрон Ъ'О1. На рис. 2.4, а стабилитрон не показан, но ои присутствует в структуре обязательно, иначе вход инвертора будет пробит статическим электричеством. Природу пробоя тонкого окнсного слоя 810з можно уяснить, вспомнив формулу заряда конденсатора С=о/П, Затвор и поверхность подложки суть обкладки конденсатора С.
Если в нелг накопится случайный заряд г(, потенциал между обкладками станет (). Если заряд стал чрезмерным (ведь ему некуда стекать), П превысит напряжение пробоя тонкого слоя диэлектрика 8(От (толщина примерно равна 1 мкм). К слову, МОП- и КМОП-усилители без защитного стабилнтрова существуют. Они предназначены для электрометрнческих цепей, т. е фактически для измерения ззряда ц.
Это спецвально оговаривается в сертификате прибора. Цифровые мвкросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлснвям, как пробой от статического илв наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется вх структурой. На рис. 2.4,з показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на п-под. 198 Рис.
2.4. Особенности инверто- ра' КМОП; я-ппднпкгкц д-кадмцк а — поперечное сееепне структуры 1гмоц; б — ааптнтиыа днад на иха де ииеертора; е — полная схена нипертора с памятны»н и паразит дыни диаданн "як Вк 199 ложку. Низкий уровень напряженещ питания присоединяется к специ. альной шанс, соединяющей екарманы» (см. рис. 2.4, а). Конденсатор С на рис. 2.4, з символизирует входную емкость инвер.
тора, Как правило, она составляет от 5 до 15 пФ, Диоды ЧР! — ЧРЗ защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод ЧР! имеет пробивное на. пряжеиие 25 В, ЧР2 и ЧРЗ вЂ” 50 В. Последовательный резистор К =200 Ом,. 2 кОм ие позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряукенную входную емкость затворов С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки. Диоды ЧР4 — ЧР6 защищают выход иивертора от пробоя между и+ и р+-областямн (см, рис.
2.4,а, по горизонтали), Здесь также верхний диод ЧР4 имеет пробивное напряжение 50 В, нижний ЧР5 — 25 В. Эти диоды, как правило. составная часть структуры (рис. 2.4,а). Диод ЧР6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания. Такие диоды делаются в структуре специально. Рассмотрим электрические параметры инвертора КМОП, На рис, 2.5, а, б показаны пути тока через нагрузки инвертора Я, прн высоком (В) и низком (Н) уровнях, поступающих от управляющего переключателя 51. Если от 81 подан высокий В входной уровень, п-транзистор (см. рис. 2.5,а) замкнут, от источника питания Пя,п через резистор К в и-канал втекает ток нагрузки низкого уровня )о „. На рис.
2.5, б показан р-транзистор замкнутым, для этого от 51 подан низкий уровень Н, Ог провода С»» через р.канал в нагрузку )1» стекает ток нагрузки высокого уровня 1, . Чтобы высокий н низкий уровни (П,„„, см. рис. 1 1 2.(,б и По»их, см. рис, 2.2,6) пнвертора максимально приближались к напряжениям П», н 0 В, необходимо выполнить условие, чтобы сопротивление канала К«м,(1» как для р-, так и для п-канала. Условие К,~й» выполняют для специально конструируемых мощных ииверторов КМОП, работающнх на выходах микросхем.
Нацом. ннм, что малое сопротивление капала К, равноценно повышенной пру. тизне усиления 5 полевого транзистора. Пределы 1 и 1 длн око. вмх зых печных буферных ннверторов обычно оговариваются. Если их превысить, структура мох ет разрушиться. Оконечные трзвзисторы с большой крутизной занимают зпачвтсльную василь плошади кристалла микросхемы. Рнс. 2.5. Выходные токи инвертора КМОП (а н б), нагрузка ннвертора (') зт '4э I -в с Выход малоснгнальиого иннертора внутри микросхемы работает в другом режиме.
Он нагружается на очень большое входное сопротивление последуюшего иивертора, Эквивалент тзкого включения показан на рнс. 2.5,в. Здесь выходной скачок П»», от логического элемента — источника (ЛЭИ) попадает на вход ЛЭ нагрузки (ЛЭг!). Поскольку олэы ~з В „-!0 Ом, ясно, что установившиеся токи 1км н 1„„„будут иичтоткно малыми фактически при любом значении К„м(хобычно, для малосигнальных инвсрторов !1„ 5,.!О нОм), Следовательно, статические напряжения высокого н низкого уровня на выходе ЛЭИ будут практически разны ()»» и 0 В. Однако в молгент скачка напряжения Плэмчерез »мх сопротивление его каналов (1» должна зарядиться (или разрядиться) входная емкость ЛЭН С . Ее значеняе обычно 5...15 пф. Следова- лэг! 200 тельно, при )1лэ =5кОм следует ожидать длительность фронта и сре.
ЛЭИ за входного импульса ЛЭН: (о' »» !ко = 2,2 11лЭИ Слэ" — 50...150 но. »»х Если на вход ЛЭН поступил положительный перепад(). х .1 лэи лэн бУдет заРЯжатьсЯ чеРез сопРотивление Р-канала йви. Следовательно, длительность положительного фронта импульса (),и» !ОД 2 211Р СЛЭН (2.5) Замыкание п.канала на выходе ЛЭИ вызовет разряд емкости С~~ поэтому время отрицательного среза импульса Ц 1ЦО 2 211» СЛЭИ вх (2.6) Если технологическими способами уравнять ЕР и Я„", то выходвые фронты ЛЭИ Н ' и !' ' окажутся одинаковыми.
Условия, соответствующие модели (рнс. 2.5, в), имеют место внутри микросхемы, т.е. на ее кристалле, где паразитные емкости С „Э очень малы. При Н гни!'»~150 нс можно ожидать быстродействия ло. гических устройств иа уровне 5...5 Мрп. Чтобы сохранить эти скорости обработки данных при обслуживании большого числа входов внешних ЛЭН (эта входы других корпусов микросхем КМОП), требуется, чтобы ЛЭИ, работающие на выходах микросхем (буферные элементы), имели бы малые сопротивления каналов.
Наибольшие импульсные токи 1„„, и 1, „отдают выходы ЛЭИ, обслуо жипающие шины данных системы, т. е. провода, к которым присоедияяется с одной стороны много выходов ЛЭИ, а с другой — много входов ЛЭН. Такие шины виогда называют тяжело нагружевными. Для их обслуживания следует применять специальные буферные элементы— шинные формирователе. Согласно (рнс.
2,5, а — е) ЛЭИ не должен потреблять ток питания, если на его входе присутствуют статические уровни: либо В, либо Н. Действительно, в первом случае разомкнут р-канал (т. е. отомкнут от нагрузки )1",'хэи источник () .»), во втором случае р-канал замкнут, но й~~~~ очень велико (10" Ом), поэтому от источника питания ()» » потребляется пренебрежимо малый статический ток высокого уровня 1, 1 Однако если на вход ЛЭИ подать последовательность импульсов, а в цепь источника питания включить миллиамперметр, можно обнаружить, что с ростом частоты следования входных импульсов будет повышаться н динамический ток потребления 1„„,„„» (см.
рис. 2.6,а), На рис. 2,6,б показана осциллограмма импульсов тока питания. Видно, что импульсы 1,„, соответствуют по времени фронту и срезу входного импульса. Для инвертора из схемы К176ЛП1 уровень тока 1„,,„»=1... ...1,3 мй. Основная составляющая импульса питания — сквозной ток от Б», в землю, поскольку есть момент, когда оба канала нивертора от.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
