Инвертор на комплиментарной МОП-паре

На рис. 5.7, а показано последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов: р - и n -канального. Их затворы подключены к движку потенциометра. Нагрузки на выходе нет.

Если движок находится внизу, на оба затвора сразу подается нулевой уровень, поэтому отрицательной полностью открыт только р -канал и разомкнут п -канал. Выходное напряжение .

а — схема для снятия переходной характеристики; б — передаточная характеристика

Рис. 5.7 - Инвертор КМОП

Если перевести движок в крайнее верхнее положение, на выходном проводе появится нулевое напряжение , потому что теперь п -канал будет замкнут, а р -канал разомкнется. Когда на затворы от движка поступает среднее напряжение , выходное напряжение также окажется близким к , если сопротивления каналов примерно равны ().

На рис. 5.7, б показана результирующая передаточная характеристика инвертора КМОП . Точки изломов характеристики соответствуют пороговым напряжениям включения п - и р -канала, т. е. и . Для анализа работы инвертора DD1 воспользуемся управляющим переключателем S1 (рис. 5.8, б).

Чтобы получить более полное представление о свойствах входной и выходной цепей КМОП-инвертора полезно рассмотреть поперечное сечение того участка кремниевой п подложки, где он расположен. Такой эскиз показан на рис. 5.8, а. Следует учесть, что по горизонтали размер этой структуры не 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 р + обозначены области истока и стока р -канального МОП транзистора с повышенной концентрацией дырок. Для п -канального МОП транзистора сделаны в «кармане» две высоколегированные п +-области. Здесь избыток электронов, это области истока и стока.

а — поперечное сечение структуры КМОП; б — защитный диод на входе инвертора; в — полная схема инвертора с защитными и паразитными диодами

Рис. 5.8 - Особенности инвертора КМОП

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DD1 (рис. 5.8, в). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD3. На рис. 5.8, а стабилитрон не показан, но он присутствует в структуре обязательно, иначе вход инвертора будет пробит статическим электричеством. Природу пробоя тонкого окисного слоя SiO₂ можно уяснить, вспомнив формулу заряда конденсатора C = q/U. Затвор и поверхность подложки суть обкладки конденсатора С. Если в нем накопится случайный заряд q, потенциал между обкладками станет U. Если заряд стал чрезмерным (ведь ему некуда стекать), U превысит напряжение пробоя тонкого слоя диэлектрика SiO₂ (толщина примерно равна 1 мкм). К слову, МОП- и КМОП-усилители без защитного стабилитрона существуют. Они предназначены для электрометрических цепей, т. е. фактически для измерения заряда q. Это специально оговаривается в сертификате прибора.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробой от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 5.8, в показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на п -подложку. Низкий уровень напряжения питания присоединяется к специальной шине, соединяющей «карманы» (см. рис. 5.8, а).

Конденсатор С на рис. 5.8, в символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пФ. Диоды VD1—VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VD3 — 50 В. Последовательный резистор R =200 Ом...2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость затворов С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки.

Диоды VD4—VD6 защищают выход инвертора от пробоя между п + и р⁺ областями (см. рис. 5.8, а, по горизонтали). Здесь также верхний диод VD4 имеет пробивное напряжение 50 В, нижний VD5 — 25 В. Эти диоды, как правило, составная часть структуры (рис. 5.8, а). Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания. Такие диоды делаются в структуре специально.

Рис. 5.9 - Выходные токи инвертора КМОП

Рассмотрим электрические параметры инвертора КМОП. На рис. 5.9, а, б показаны пути тока через нагрузки инвертора R_H при высоком (В) и низком (Н) уровнях, поступающих от управляющего переключателя SI. Если от S1 подан высокий В входной уровень, n -транзистор (см. рис. 5.9, а) замкнут, от источника питания через резистор R_H в п -канал стекает ток нагрузки низкого уровня . На рис. 5.9, б показан р -транзистор замкнутым, для этого от S1 подан низкий уровень Н. От провода через р -канал в нагрузку R_H стекает ток нагрузки высокого уровня . Чтобы высокий и низкий уровни инвертора максимально приближались к напряжениям и 0 В, необходимо выполнить условие, чтобы сопротивление канала R_K «R_Н и как для р -, так и для п -каналов.

Условие R_K «R_H выполняют для специально конструируемых мощных инверторов КМОП, работающих на выходах микросхем. Напомним, что малое сопротивление канала R_K равноценно повышенной крутизне усиления S полевого транзистора. Пределы и для оконечных буферных инверторов обычно оговариваются. Если их превысить, структура может нарушиться. Оконечные транзисторы с большой крутизной занимают значительную часть площади кристалла микросхемы.

Выход малосигнального инвертора внутри микросхемы работает в другом режиме. Он нагружается на очень большое входное сопротивление последующего инвертора. Эквивалент такого включения показан на рис. 5.9, в. Здесь выходной скачок от логического элемента — источника (ЛЭИ) попадает на вход ЛЭ нагрузки (ЛЭН). Поскольку ~10¹² Ом, ясно, что установившиеся токи и будут ничтожно малыми фактически при любом значении R_K (обычно, для малосигнальных инверторов R_K = 5...10 кОм). Следовательно, статические напряжения высокого и низкого уровня на выходе ЛЭИ будут практически равны и 0 В. Однако в момент скачка напряжение через сопротивление его каналов R_К должна зарядиться (или разрядиться) входная емкость ЛЭН . Её значение обычно 5...15 пФ. Следовательно, при = 5 кОм следует ожидать длительность фронта и среза входного импульса ЛЭН:

Если на вход ЛЭН поступил положительный перепад , будет заряжаться через сопротивление р -канала R|J. Следовательно, длительность положительного фронта импульса

Замыкание n -канала на выходе ЛЭИ вызовет разряд емкости , поэтому время отрицательного среза импульса

Если технологическими способами уравнять и , то выходные фронты ЛЭИ t^0,1 и t^1,0 окажутся одинаковыми.

Условия, соответствующие модели (рис. 5.9, в), имеют место внутри микросхемы, т. е. на кристалле, где паразитные емкости очень малы. При t^0,1 = t^1,0 < 150 нс можно ожидать быстродействия логических устройств на уровне 3...5 МГц.

Чтобы сохранить эти скорости обработки данных при обслуживании большого числа входов внешних ЛЭН (это входы других корпусов микросхем КМОП), требуется, чтобы ЛЭИ, работающие на выходах микросхем (буферные элементы), имели бы малые сопротивления каналов. Наибольшие импульсные токи и отдают выходы ЛЭИ, обслуживающие шины данных системы, т. е. провода, к которым присоединяется с одной стороны много выходов ЛЭИ, а с другой — много входов ЛЭН. Такие шины иногда называют тяжело нагруженными. Для их обслуживания следует применять специальные буферные элементы — шинные формирователи.

Рис. 5.10 - Измерение тока потребления (а), связь входного импульса U_BX, импульсов тока питания I_ДИН, также среднего тока потребления I_ПОТ(б)

Согласно (рис. 5.9, а—б) 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 источник ), во втором случае р -канал замкнут, но очень велико (10¹² Ом), поэтому от источника питания потребляется пренебрежимо малый статический ток высокого уровня .

Однако если на вход ЛЭИ подать последовательность импульсов, и в цепь источника питания включить миллиамперметр, можно обнаружить, что с ростом частоты следования входных импульсов будет повышаться и динамический ток потребления I_{пот.дин} (см. рис. 5.10, а). На рис. 5.10, б показаны осциллограммы импульсов тока питания. Видно, что импульсы I_дин соответствуют по времени фронту и срезу входного импульса. Для инвертора из схемы К176ЛП1 уровень тока I_{пот.дин}= 1...1.3 мА. Основная составляющая импульса питания — сквозной ток от в землю, поскольку есть момент, когда оба канала инвертора открыты. Средний уровень тока потребления I_пот окажется тем больше, чем выше частота следования входных импульсов. Если входная последовательность окончилась, ток I_пот без входного сигнала становится равным нулю.

Передаточные характеристики определяют помехоустойчивость элементов КМОП. На рис. 5.11, а показаны условные пределы характеристик (кривые 1 и 2) инвертора, а на рис. 5.11, б— неинвертирующего элемента. По вертикальным осям отмечены пороговые напряжения и , когда происходит переключение состояния р - и n -каналов. Пересечение пороговых уровней с характеристиками дает предельные значения напряжений помех снизу (помеха от шины «земля») и сверху (помеха от шины питания). Помехоустойчивость для элементов КМОП достаточно велика, так как допустимо напряжение до 30% от напряжения питания .

Импульсная помехоустойчивость растет, если длительность входных импульсов помехи меньше, чем среднее время задержки распространения сигнала в микросхеме.

Особо следует оговорить устойчивость переключения синхронных устройств на микросхемах КМОП. Необходимо, чтобы время фронтов нарастания и спада тактового импульса было бы меньше, чем 5...15 мкс (т. е. тактовые импульсы должны иметь крутые фронты). Во-первых, если фронт импульса длительный, пологий, инвертор КМОП долго находится в усилительном режиме, поэтому сквозной импульс тока (см. рис. 5.10, б) чрезмерное время течет через него, структура может перегреться и разрушиться.

Во-вторых, время нарастания перепада на тактовом входе t^0,1 должно быть меньшим, чем время t_зд.р плюс время переходного процесса на выходе триггерного элемента. На рис. 5.11, в показано последовательное соединение двух D-триггеров. При медленно нарастающем перепаде на входе С выходной сигнал триггера DD1 запишется на D-вход триггера DD2, ошибочно переключится на низкий уровень (рис. 5.11, г), поскольку фронт С еще не превысил уровень 0,7 .

а— пределы характеристик инвертирующего элемента; б— то же для неинвертирующего; в — общая тактовая шина двух D-триггеров; г — медленноменяющийся тактовый импульс дает ошибку счета

Рис. 5.11 - Передаточные характеристики инвертора КМОП и помехоустойчивость:

Необходимо принимать особые меры защиты элементов КМОП. Во-первых, все входные сигналы не должны выходить за пределы напряжения питания . Если проектируются мультивибраторы (автогенераторы и ждущие), в них следует ограничивать токи перезарядки конденсаторов микроамперными уровнями, включая последовательные резисторы. Во-вторых, входы КМОП не должны оставаться неприсоединенными. Реально опасны случаи разъединения печатных плат, находящихся под питанием, когда через разъем сигналы от одной платы поступают на другую. Здесь следует предусматривать шунтирующие резисторы (к проводам или нулевому). В-третьих, многие микросхемы КМОП могут работать от сигналов ТТЛ. Здесь следует подключать резисторы утечки от входа КМОП на питание ТТЛ 5 В.

Следует принимать меры защиты выходов микросхемы КМОП. Надо избегать случайных замыканий выходов буферных элементов с повышенным выходным током на провод питания. Нельзя соединять выходы обычных элементов непосредственно, поскольку произойдет замыкание одного из каналов на источник питания.

Если требуется параллельное соединение входов и выходов элементов, они должны быть из одного корпуса микросхемы. Нельзя применять емкости нагрузки С_н>5000 пФ для буферных и высоковольтных оконечных элементов, поскольку такой незаряженный конденсатор равноценен перемычке короткого замыкания.

Серийные микросхемы КМОП выпускаются более десяти лет. Первые микросхемы такой структуры были низковольтными. Это отечественная серия KI76 и аналогичная зарубежная CD4000A. Напряжение питания для микросхем этих серий было равно 9 В. Оно лимитировалось напряжением пробоя п -кармана (см. рис. 5.8, а).

Последующая эволюция технологии позволила повысить предел напряжения питания до 15 В. Вместе с тем нижний предел составляет.3 В. Быстродействие микросхем КМОП растет пропорционально увеличению напряжения питания. Поэтому для усовершенствованных серий К561 (аналог — серия CD4000 В) при =15 В типовое значение времени = 50 нс на логический элемент, при статической рассеиваемой мощности — 0,4 мкВт на элемент.

Перспективная, так называемая HCMOS — логика (здесь Н — начальное сокращение перевода слова high — высококачественная) выполняется с помощью процессов ионной имплантации и с заменой металлических пленок областей затворов на поликремниевые. Микросхемы такого исполнении конкурируют по быстродействию (10...15 нс) с микросхемами на структурах с барьером Шотки, конкретно с ТТЛ серией 74LS (К555)

Дата добавления: 2014-11-18