Сравнительные характеристики логических элементов изготовленных по разным технологиям

КМОП

ТТЛ

Сравнение основных характеристик ТТЛ и КМОП микросхем

Основной родовой признак ТТЛ — использование биполярных транзисторов, причем структуры только п-р-п. КМОП же, как следует из ее названия, осно­вана на полевых транзисторах с изолированным затвором структуры МОП, причем комплементарных, то есть обоих полярностей — и с w- и с /^-каналом. Схемотехника базовых логических элементов ТТЛ и КМОП приведена на рис. 15.1. На западе их еще называют вентилями — чем можно оправдать та­кое название, мы увидим в конце главы.

Входной многоэмиттерный транзистор ТТЛ мы уже рисовали в главе И — он может иметь сколько угодно (на практике — до восьми) эмиттеров, и эле­мент тогда будет иметь соответствующее число входов. Если любой из эмит­теров транзистора VT1 замкнуть на «землю», то транзистор откроется, а фа-зорасщепляющий транзистор VT2 (с его работой мы знакомы по рис. 6.8) — закроется. Соответственно, выходной транзистор VT3 откроется, а VT4 — закроется, на выходе будет высокий логический уровень, или уровень логи­ческой единицы. Если же все эмиттеры присоединены к высокому потенциа­лу (или просто «висят» в воздухе), то ситуация будет обратная — VT2 откро­ется током через переход база-коллектор VT1 (такое включение транзистора называется «инверсным»), и на выходе установится ноль за счет открытого транзистора VT4. Такой ТТЛ-элемент будет осуществлять функцию «И-НЕ» (логический ноль на выходе только при единицах на всех входах).

Выходной каскад ТТЛ-элемента представляет собой некое подобие ком­плементарного («пушпульного») каскада класса В, знакомого нам по анало­говым усилителям (см. рис. 8.2). Однако воспроизведение р-п-р-транзисторов оказалось для ТТЛ-технологии слишком сложным, потому такой каскад носит еще название псевдокомплементарного— верхний транзистор VT3 работает в режиме эмиттерного повторителя, а нижний — в схеме с общим эмиттером.

Рис. 15.1. Схемы базовых элементов ТТЛ и КМОП

Кстати, заметим, что из-за недоступности p-w-p-транзисторов воспроизведе­ние схемы «ИЛИ» для ТТЛгтехнологии оказалось крепким орешком, и ее, схемотехника довольно существенно отличается от показанной на рис. 15.1 базовой схемы элемента «И-НЕ».

Заметки на полях

На заре транзисторной техники псевдокомплементарные каскады, подобные выходному каскаду ТТЛ, использовались — о ужас! — для усиления звука. Это построение дало основания для многочисленных попыток приспособить логи­ческие элементы, которые, в сущности, представляют собой усилитель с до­вольно большим (несколько десятков) коэффициентом усиления, для усиле­ния аналоговых сигналов. Излишне говорить, что результаты оказались довольно плачевными, даже с КМОП-элементом, который построен куда более симметрично.

Как видно из схемы, ТТЛ-элемент существенно несимметричен и по входам, и по выходам. По входу напряжение логического нуля должно быть доста­точно близко к «земле», при напряжении на эмиттере около 1,5 В (при стан­дартном для ТТЛ питании 5 В) входной транзистор уже запирается. Причем при подаче нуля нужно обеспечить отвод довольно значительного тока база-эмиттер— около 1,6 мА для стандартного элемента, отчего для элементов ТТЛ всегда оговаривается максимальное количество одновременно подсое­диненных к выходу других таких элементов (стандартно — не более десят­ка). В то же время логическую единицу на входы можно не подавать вовсе. Практически, однако, подавать ее следует — по правилам незадействованные входы ТТЛ должны быть присоединены к питанию через резисторы 1 кОм.

Еще хуже дела обстоят на выходе: напряжение логического нуля обеспечива­ется открытым транзистором и действительно довольно близко к нулю — даже при нагрузке в виде десятка входов других таких же элементов оно не превышает 0,5 В, а в нормах на сигнал ТТЛ оговорена величина не более 0,8 В. А вот напряжение логической единицы довольно далеко отстоит от питания и составляет при питании 5 В в лучшем случае (без нагрузки) от 3,5 до 4 В, практически же в нормах оговаривается величина 2,4 В.

Такое балансирование десятыми вольта (напряжение нуля 0,8 В, напряжение порога переключения от 1,2 до 2 В, напряжение единицы 2,4 В) приводит к тому, что все ТТЛ-микросхемы могут работать в довольно узком диапазоне напряжений питания — практически от 4,5 до 5,5 В, многие даже от 4,75 до 5,25 В, то есть 5 В ±5%. Максимально допустимое напряжение питания со­ставляет для разных ТТЛ-серий от 6 до 7 В, и при его превышении они обыч­но горят ясным пламенем. Низкий и несимметричный относительно питания порог срабатывания элемента приводит и к плохой помехоустойчивости.

Самым крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое потребление — до 2,5 мА на один такой элемент, это без учета вытекающих токов по входу и потребления нагрузки по выходу. Так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много базовых элементов, вроде счетчиков или регистров, не требуют охла­ждающего радиатора. Сочетание низкой помехоустойчивости с высоким по­треблением — смесь довольно гремучая, и при разводке плат с ТТЛ-микросхемами приходится ставить по развязывающему конденсатору на ка­ждый корпус. Все перечисленное в совокупности давно бы заставило отка­заться от технологии ТТЛ вообще, однако у них до некоторого времени было одно неоспоримое преимущество: высокое быстродействие, которое для ба­зового элемента в виде, показанном на рис. 15.1, может достигать десятков мегагерц.

В дальнейшем развитие ТТЛ шло по линии уменьшения потребления и улучшения электрических характеристик, в основном за счет использования т. н. переходов Шоттки, на которых падение напряжения может составлять 0,2—0,3 В вместо обычных 0,6—0,7 В (технология ТТЛШ, обозначается бук­вой S в наименовании серии, отечественный аналог— серии 531 и 530). Ба­зовая технология, которая составляла основу широко распространенной в 1960—70-х годах серии 74 без дополнительных букв в обозначении (анало­ги— знаменитые отечественные серии 155 и 133), сейчас практически не используется. ТТЛ-микросхемы в настоящее время можно выбирать из вари­антов, представленных малопотребляющими сериями типа 74LSxx (серии 555 и 533) или быстродействующими типа 74Fxx (серия 1531). Причем по­требление последних практически равно потреблению старых базовых серий при более высоком (до 125 МГц) быстродействии, а для первых все наобо­рот— быстродействие сохранено на уровне базового, зато потребление пи­тания снижено раза в три-четыре.

КМОП-элементы намного ближе к представлению о том, каким должен быть идеальный логический элемент. Для начала, как можно видеть из рис. 15.1, они практически симметричны, как по входу, так и по выходу. Открытый по­левой транзистор на выходе (либо /?-типа для логической единицы, либо «-типа для логического нуля) фактически представляет собой, как мы знаем.

просто сопротивление, которое для обычных КМОП-элементов может со­ставлять от 100 до 300 Ом (под «обычными» или «классическими» КМОП мы подразумеваем здесь серию 4000А или 4000В, см. далее). Для дополнитель­ной симметрии на выходе обычно ставят последовательно два инвертора, по­добных показанному на рис. 15.1 справа (жалко, что ли, транзисторов, если потребление не растет?). Поэтому на выходе не сказывается то, что в нижнем плече для схемы «И-НЕ» стоят два таких транзистора последовательно.

Для схемы «ИЛИ» такие транзисторы будут стоять в верхнем плече — она полностью симметрична схеме «И», что тоже плюс технологии КМОП по сравнению с ТТЛ. Обратите также внимание, что выходной каскад инвертора построен не по схеме «пушпульного» каскада, то есть это не потоковые по­вторители напряжения, а транзисторы в схеме с общим истоком, соединен­ные стоками, что позволяет получить дополнительный коэффициент усиле­ния по напряжению.

На практике особенности построения элемента приводят к тому, что в КМОП-микросхемах:

? на ненагруженном выходе напряжение логической единицы практически равно напряжению питания, а напряжение логического нуля практически равно потенциалу «земли»;

? порог переключения близок к половине напряжения питания;

? входы практически не потребляют тока, так как представляют собой изо­лированные затворы МОП-транзисторов;

? в статическом режиме весь элемент также не потребляет тока от источ­ника питания.

Из последнего положения вытекает, что схема любой степени сложности, построенная с помощью КМОП-элементов, в «застывшем» состоянии и даже при малых рабочих частотах, не превышающих десятка-другого килогерц, практически не потребляет энергии! Отсюда ясно, как стали возможными такие фокусы, как наручные часы, которые способны идти от малюсенькой батарейки годами, или sleep-режим микроконтроллеров, в котором они по­требляют от 1 до 50 мкА на все десятки тысяч составляющих их логических элементов.

Другое следствие вышеперечисленных особенностей — исключительная по­мехоустойчивость, достигающая половины напряжения питания. Но это еще не все преимущества. КМОП-микросхемы «классических» серий могут рабо­тать в диапазоне напряжений питания от 2 до 18 В, а современные быстро­действующие — от 2 до 7 В. Единственное, что при этом происходит— при

снижении питания довольно резко— в разы— падает быстродействие и ухудшаются некоторые другие характеристики.

Кроме того, выходные транзисторы КМОП, как и любые другие полевые транзисторы, при перегрузке (например, в режиме короткого замыкания) ра­ботают как источники тока — при напряжении питания 15 В этот ток соста­вит около 30 мА, при 5 В — около 5 мА. Причем это в принципе может быть долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить — не превышается ли значение суммарного допустимого то­ка через вывод питания, которое обычно составляет около 50 мА. То есть, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключен­ных к низкоомной нагрузке. Естественно, о логических уровнях в таком ре­жиме уже речи не идет, только о втекающем или вытекающем токе.

И тут мы подходим к основному недостатку «классической» КМОП-технологии — низкому в сравнении ТТЛ быстродействию. Это обусловлено тем, что изолированный затвор МОП-транзистора представляет собой кон­денсатор довольно большой емкости— в базовом элементе до 10—15 пФ. В совокупности с выходным резистивным сопротивлением предыдущей схе­мы такой конденсатор образует фильтр низких частот. Обычно рассматрива­ют не просто частотные свойства, а время задержки распространения сигнала на один логический элемент. Задержка возникает из-за того, что фронт сиг­нала не строго вертикальный, а наклонный, и напряжение на выходе еще только начнет нарастать (или снижаться), когда напряжение на входе достиг­нет уже значительной величины (в идеале— половины напряжения пита­ния). Время задержки могло достигать у ранних серий КМОП величины 200—250 НС (сравните — у базовой серии ТТЛ всего 7,5 не). На практике при напряжении питания 5 В максимальная рабочая частота «классического» КМОП не превышает 1—3 МГц— попробуйте соорудить на логических эле­ментах генератор прямоугольных сигналов по любой из схем, которые будут разобраны в главе 16, и вы увидите, что уже при частоте 1 МГц форма сигна­ла будет скорее напоминать синусоиду, чем прямоугольник.

Другим следствием наличия высокой входной емкости является то, что при переключении возникает импульс тока перезарядки этой емкости, то есть чем выше рабочая частота, тем больше потребляет микросхема, и считается, что при максимальных рабочих частотах ее потребление может сравниться с по­треблением ТТЛ (по крайней мере, ТТЛ серии 74LS). Дело еще усугубляется тем, что из-за затянутых фронтов импульсов элемент достаточно длительное время находится в активном состоянии, когда оба выходных транзистора приоткрыты (то есть возникает так называемый эффект «сквозного тока»).

Это же затягивание фронтов в сочетании с высокоомным входом приводит к снижению помехоустойчивости при перею1ючении — если на фронте сигна­ла «сидит» высокочастотная помеха, то это может приводить к многократ­ным переключениям выхода, как это было у компаратора (см. главу 13). По этой причине в спецификациях на микросхемы часто указывают желатель­ную максимальную длительность фронтов управляющего сигнала.

Однако в современных КМОП, в отличие от «классических», большинство недостатков, связанных с низким быстродействием, удалось преодолеть (правда, за счет снижения допустимого диапазона питания). Подробнее о се­риях КМОП рассказано далее, а пока несколько еще несколько слов об осо­бенностях этих микросхем.

Незадействованные входы элемента КМОП нужно обязательно подключать куда-нибудь — либо к земле, либо к питанию (резисторов при этом не требу­ется, так как вход тока не потребляет), либо объединять с соседним вхо­дом — иначе наводки на столь высокоомном входе полностью нарушат рабо­ту схемы. Причем в целях снижения потребления следует делать это и по отношению к незадействованным элементам в том же корпусе (но не ко всем незадействованным выводам, конечно). «Голый» вход КМОП из-за своей вы-сокоомности может быть также причиной повышенной «смертности» чипов при воздействии статического электричества, однако на практике входы все­гда шунтируют диодами, как показано на рис. 11.4. Допустимый ток через эти диоды также оговаривается в спецификациях.

Схема и характеристики инвертора КМОП

Кроме элементов ТТЛ выпускают элементы КМОП (КМДП). КМОП – комплементарные металл-оксидные полупроводники (полевой транзистор с изолированным затвором). Важнейшим свойством полевых транзисторов является их большое входное сопротивление по постоянному току (R_вх=10¹² – 10¹⁴ Ом). Благодаря этому полевые транзисторы в статических режимах практически не потребляют тока во входных цепях; тем самым обеспечивается возможность построения ключевых элементов с большой нагрузочной способностью. Главным недостатком полевых транзисторов по сравнению с биполярными является относительно невысокое быстродействие. Приведем для рассмотрения схему построения инвертора на полевых транзисторах (рис.7.1).

Рисунок 7.1 – Принципиальная схема инвертора КМОП

Схемы такого типа могут быть повреждены при воздействии статических зарядов и потенциале более 100 В. Статистический анализ показал, что около 65% всех отказов МДП-приборов обусловлен воздействием статистических зарядов. Непосредственно в КМДП-элементах для такой защиты вводят дополнительные элементы (рис.7.1): диод VD₁ между входом и одной из шин питания; два диода между входом и каждой из шин; поликремниевый резистор с двумя диодами VD₂ и VD₃. Использование диодов снижает вероятность пробоя, но не дает абсолютной защиты схемы. Диоды срабатывают с некоторой задержкой и за это время возможен пробой МДП-вентиля. Диоды VD₄ и VD₅ предназначены для защиты последующих каскадов. Диод VD₆ защищает от отрицательного напряжения питания.

Для удобства сведем характеристики ЛЭ в таблицу 7.1. (Все параметры приведены в статическом режиме, логический элемент находится в одном из двух устойчивых состояний “0” или “1”)

Таблица 7.1 – Характеристики логических элементов

Параметр	Старые разработки	Новые разработки
ТТЛ серия К155	КМОП серия КП6	ЭСЛ серия 500	ТТЛ серия КР1533	КМОП серия КР155
I^0вх	-1.6 мА	-0,1 мкА	0,5 мкА	-0,1мА	-0,1 мкА
I^1вх	0,04 мА	0,1 мкА	0,25...0,5мА	20 мкА	0,1 мкА
U^0вых не больше, В	0,4	0,3	-1,63	0,4	0,1
U^1вых не менее, В	2,4	8,2	-0,9	2,4	Uпит-0,1
Uпит, В	+5	+9	-5,2		2...6
t^10зд.р., нс		200...500	2,9...3,4	15	9,5 при Uпит=4,5В
t^01зд.р., нс		200...500	2,9...3,4	9	8,5 при Uпит=4,5В
I^0потр	16,5 мА	0,3 мкА	21 мА	4 мА	40 мкА
I^1потр	6 мА	0,3 мкА	21 мА	1,8 мА	40 мкА

В таблице приняты следующие обозначения:

· I⁰_вх – входной ток интегральной микросхемы при уровне логического нуля на входе.

· I¹_вх – входной ток интегральной микросхемы при уровне логической единицы на входе.

· U⁰_вых – напряжение получаемое на выходе при уровне логического нуля на входе.

· U¹_вых – напряжение получаемое на выходе при уровне логической единицы на входе.

· U_пит – напряжение питания.

· t¹⁰_зд.р. – время задержки переключения из “1” в “0” (время между переключениями на входе и на выходе).

· I⁰_потр – ток потребления при нуле на выходе логического элемента. ЭСЛ самые быстродействующие и имеют малое время задержки. Чем меньше I_потр, тем лучше.

Чем меньше ток на входе, тем лучше. ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика работает в линейном режиме. КМОП и ТТЛ работают в ключевом режиме.

Статический режим – это режим у которого отсутствуют переключения или их очень мало. Чем больше время переключения элемента, тем больше треугольник на рис.7.2 (то есть больше сквозные токи возникающие при переключении КМОП), так как ток будет протекать дольше при открытии и закрытии. Чем чаще происходят переключения, тем больше потребление тока. В динамическом режиме потребление тока возрастает.

Рисунок 7.2 – Иллюстрация сквозных токов возникающих при переключении КМОП

Нагрузочная способность логического элемента – количество входов ЛЭ одноименной серии, которые могут быть подключены к выходу логического элемента и при этом сохраняются в параметры технического условия. Типовые значения нагрузочной способности для ТТЛ – 10 входов.

Дата добавления: 2015-03-29