Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4 е] стр 76.

14.15. КМОП-семейства

Как мы уже рассмотрели в гл. 9, имеется несколько КМОП-серий; выбор лучшей же серии зависит от вида конкретной прикладной задачи. Они представлены в табл. 9.1.

Серии 4000В/74С. Эта В - серия представляет собой модернизацию исходной КМОП-серии с металлическим затвором, в паспортных данных на которую указано, что она может функционировать при напряжениях источника питания от 3 до 15 В. Работа при предельном напряжении 3 В допустима, но, однако, сопряжена с высоким значением Zвых, плохой помехозащищенностью и малым быстродействием. На практике минимальное напряжение питания составляет 5 В. На верхнем же краю диапазона напряжений источника питания при переключении возникает значительный ток режима класса А и отмечается большая склонность к внезапному выходу схемы из строя от всплесков напряжений в цепи источника питания. Эти КМОП-семейства являются довольно привлекательными в смысле производительности выходного каскада, а именно ток в 1 мА или меньше при напряжении питания 5 В. Серия 74С по электрическим параметрам эквивалентна серии 4000В, включая и диапазон напряжений источника питания, но с реализацией логических функций и расположением контактов, как у 74 серии ТТЛ. Фирма Fair-child предлагает улучшенную серию - "Изопланарную С" (более быстродействующая при том же самом диапазоне напряжений), что делает и фирма Philips/Signetics (называется "LOCMOS" - МОП-структура с использованием локального окисления). Это единственная КМОП-серия, которая может работать в широком диапазоне наряжений питания; она идеальна при организации питания непосредственно от батареи с напряжением 9 В.

Серии 74НС и 74АС. "Быстродействующая" КМОП-серия с поликремниевым затвором (по быстродействию AС = 74LS, АС = 74F/74AS) работает в диапазоне напряжений питания от 2 до 6 В (или от 1,5 до 5 В) и на самом деле точно ориентирована на этот диапазон. Эти приборы являются достаточно сильными с хорошей защитой входных цепей и кажущейся свободой от ключевого режима с фиксацией состояния (тиристорного эффекта). Они имеют КМОП-пороги (т. е. половина напряжения UCC) и размах уровней выходного сигнала, равный напряжению питания. Сама AС-серия реализует большинство функций популярной серии 4000В (например, 74НС4046), а также функций обычной серии 74LS.

Серии 74НСТ и 74АСТ. Это варианты серий НС и АС, но с входными ТТЛ-порогами для обеспечения совместимости с ТТЛ-приборами, т. е. когда в одной схеме требуется взаимодействие ТТЛ- и МОП-приборов. Поскольку микромощные схемы, как правило, не имеют каких-либо биполярных ТТЛ-приборов, вы всегда можете выбрать серию НС/АС, учитывая ее большую помехозащищенность. Для НСТ- и АСТ-приборов требуется питание 5 В ± 10 %.

Схемы специального назначения с низким порогом. Как мы покажем ниже, мощность рассеивания КМОП-приборов в динамическом режиме пропорциональна корню из напряжения питания. Это мощный (!) стимул для работы при низком напряжении источника питания, что является основанием для использования в наручных часах субмикроваттных кристаллов (напряжение источника питания 1,5 В) с функцией генератор/делитель. Эти замечательные ИС могут быть очень полезны и не только из-за дешевизны вследствие их крупносерийного производства.

ML (логика Микки Маус). Не будем проводить обзор возможностей по использованию нескольких дискретных элементов для формирования или инвертирования логического уровня; на рис. 14.37 эта идея представлена. Это может быть в особенности полезно в тех случаях, когда вам необходимо обеспечить интерфейс между схемами с различными напряжениями источника питания. Вы можете даже создать импровизированные вентили и пр., добавляя на выходах диоды или параллельные транзисторы.

Рис. 14.37.

Выбор семейства. Используйте серию 4000В/74С, если для вас безразличны быстродействие или высокий уровень выходного тока или если вы хотите использовать нестабилизированные или высоковольтные напряжения источника питания. Воспользуйтесь серией НС (или АС), если требуется быстродействие или производительность по выходу, но следует отметить ее более ограниченный диапазон напряжений питания. Семейства АС (и ACT) привносят больше проблем вследствие емкостной связи и отражения (эффекты длинной линии), а также переходных процессов в цепи источника питания (колы), что обусловлено крутыми фронтами сигналов и "здоровенной" нагрузочной способностью выходных формирователей. Их следует по возможности избегать, если только без них абсолютно нельзя обойтись. Как правило, избегайте приборов с порогами ТТЛ (НСТ, ACT), если только они не предназначены для обеспечения сопряжения с биполярными ТТЛ-схемами или схемами на n-МОП БИС с логическими ТТЛ-уровнями.

14.16. Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме

Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким значением тока. Кроме того, стоит расширить вашу осведомленность о патологиях КМОП-технологии.

Типовая процедура проектирования.

1. Обеспечьте в схеме как молено меньше точек с высокочастотными сигналами.КМОП-схемы не имеют тока покоя (иная природа, чем у тока утечки), но при переключении требуется ток для заряда внутренних (и нагрузочных) емкостей. Поскольку энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как 1/2 CU2 и равна количеству энергии, рассеянной резистивной цепью заряда, то рассеянная мощность определяется следующим образом:

P = UCCfC,

где f - частота переключений.

Следовательно, КМОП-приборы потребляют мощность пропорционально их частоте переключений, как показано на рис. 14.38 (сравните с рис. 8.18).

На их максимальной рабочей частоте они могут потреблять больше мощности, чем эквивалентные ТТЛ логические схемы. Эффективная емкость С зачастую приводится в паспортных данных и именуется как "емкость мощности рассеяния", к которой вы должны добавить и емкость нагрузки Сн, а уж затем пользоваться приведенной выше формулой.

Рис. 14.38.Динамическая мощность потребления КМОП-схем.

2. Внутри самой схемы поддерживайте все напряжения UCC и UИИ одинаковыми.В противном случае вы можете иметь ток, протекающий через входные диоды защиты. Даже хуже, вы можете перевести кристалл в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния (см. приведенные ниже патологии).

3. Позаботьтесь о том, чтобы размахи логических сигналов достигали уровней напряжения питания (максимальный перепад напряжения).

Перепады выходных сигналов КМОП-схем имеют максимальное значение. Уровни же выходных сигналов других приборов - биполярных ТТЛ-схем, генераторов, n-МОП-кристаллов - могут находиться где-то посередине, что приводит к появлению тока режима класса А и снижению помехоустойчивости.

4. Не оставляйте свободными входные контакты.Неподключенные входы являются "врагами" микромощного режима работы, поскольку могут вызвать значительный ток режима класса А (и даже генерацию), как только плавающий потенциал на входе достигнет уровня логического порога. Привяжите неиспользуемые входные контакты к шине земли (или UCC, если это не приведет к чему-нибудь нежелательному).

5. Приведите в порядок нагрузки с тем, чтобы сохранить в нормальном состоянии низкое значение тока потребления.Привязки к верхнему и нижнему уровням, светодиоды и выходные формирователи должны быть подключены так, чтобы в обычном состоянии ток был минимальным. Таким образом, например, используйте n-р-n- (а не р-n-р) транзистор для подключения высоковольтной нагрузки к узлу, который большую часть времени находится в низком состоянии.

6. Избегайте медленных переходов.Снова ток режима класса А является основным виновником. Входной сигнал синусоидальной формы, поступающий на КМОП-триггер Шмитта, может привести к большому потреблению тока от источника питания.

7. Введите токочувствительные резисторы в цепь питания UCC.При отказах определенного вида (см. ниже), в частности, которые приводят к статическим повреждениям, КМОП-кристалл может потреблять чрезмерный ток покоя; с помощью 10-омного резистора, включенного на каждой плате последовательно в цепь UCC (шунтированный со стороны нагрузки), можно легко выявить эту ситуацию. Подключение такого резистора к каждому кристаллу (обычно в этом случае нет необходимости в шунтировании) позволяет вам быстро обнаружить неисправный кристалл (рис. 14.39).