Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Разновидностей логических (или цифровых — будем считать, что это синонимы) микросхем, используемых на практике, не так уж и много, и подавляющее большинство из них относится к одной из двух разновидностей — ТТЛ (TTL, Транзисторно-Транзисторная Логика) и КМОП (CMOS, Комплементарные [транзисторы типа] Металл-Окисел-Полупроводник). Различие между ними чисто технологическое, и функционально одноименные элементы из этих серий делают одно и то же и на схемах обозначаются одинаково. С точки же зрения электрических параметров они различаются, хотя и не настолько, чтобы можно было бы заявить об их полной несовместимости.

Транзисторно-транзисторная логика возникла раньше, во второй половине 60-х годов, и стала наследницей диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и резисторнотранзисторной логики (РТЛ). Основной родовой признак ТТЛ — использование биполярных транзисторов, причем исключительно структуры n-р-n . КМОП же, как следует из ее названия, основана на полевых транзисторах с изолированным затвором структуры МОП, причем комплементарных, то есть обоих полярностей — и с n - и с p -каналом. Есть и другие цифровые серии, отличающиеся по технологии от этих двух основных, но они либо реализованы исключительно в составе больших интегральных схем (БИС), таких, например, как микросхемы памяти, либо имеют достаточно узкий и специфический диапазон применения, поэтому мы рассматривать их не будем.

ТТЛ-микросхемы мы тоже упомянули исключительно ввиду их еще недавней практической важности, а на практике, за небольшими исключениями, вы будете иметь дело только с КМОП-микросхемами. Все современные микроконтроллеры и другие цифровые микросхемы либо полностью построены на КМОП-технологиях, либо имеют КМОП-совместимые выходы и входы. Базовые серии ТТЛ были существенно более быстродействующими, чем КМОП, но современные микросхемы малой степени интеграции из серий АС (Advanced, т. е. «продвинутая» CMOS) и НС (High-speed, т. е. «высокоскоростная» CMOS) ничуть не уступают по быстродействию микросхемам ТТЛ при сохранении почти всех преимуществ и приятных особенностей КМОП. Которые мы сейчас и разберем.

Схемотехника базовых логических элементов КМОП приведена на рис. 8.1. На Западе такие элементы еще называют вентилями — чем можно оправдать такое название, мы увидим далее. Они довольно близки к представлению о том, каким должен быть идеальный логический элемент.

Рис. 8.1. Схемы базовых элементов КМОП

Как можно видеть из рис. 8.1, КМОП-элементы практически симметричны, как по входу, так и по выходу. Открытый полевой транзистор на выходе (либо р -типа для логической 1, либо n -типа для логического 0) фактически представляет собой, как мы знаем из главы 3, просто резистор, величина которого для разных КМОП-элементов может составлять от 100 до 1000 Ом. Причем для дополнительной симметрии и повышения коэффициента усиления на выходе реальных элементов обычно ставят последовательно два инвертора, подобных показанному на рис. 8.1 справа (жалко, что ли транзисторов?). Не мешает даже то, что в нижнем плече для схемы «И-НЕ» стоят два транзистора последовательно (для схемы «ИЛИ-HE» они будут в верхнем плече, поскольку она полностью симметрична схеме «И-НЕ»). Обратите внимание, что выходной каскад инвертора построен не по схеме «пушпульного» каскада, т. е. это не истоковые повторители напряжения, а транзисторы в схеме с общим истоком, соединенные стоками, что позволяет получить дополнительный коэффициент усиления по напряжению.

На практике это приводит к следующим особенностям КМОП-микросхем:

• напряжение логической единицы практически равно напряжению питания, а напряжение логического нуля практически равно потенциалу «земли» (при ненагруженных выходах);

• порог переключения практически равен половине напряжения питания;

• входы в статическом режиме не потребляют тока, т. к. представляют собой изолированные затворы МОП-транзисторов;

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

Представляете: схема любой степени сложности, построенная с помощью КМОП-элементов, в «застывшем» состоянии или 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 (о нем см. главу 17 ). Другое следствие перечисленных особенностей— исключительная помехоустойчивость, достигающая половины напряжения питания.

Но это еще не все преимущества— КМОП-микросхемы базовой серии (о различных сериях см. далее), подобно многим операционным усилителям, могут работать в диапазоне напряжений питания от 3 до 15 В. Единственное, при снижении питания довольно резко (в разы) падает быстродействие.

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 для КМОП-элементов базовой серии составит около 30 мА, при 5 В — около 5 мА. Нагрузка при сохранении требований к логическим уровням (которые здесь обычно полагается иметь в пределах от 0 В до 0,1 U пит— логический ноль, и от U питдо 0,91 U пит— логическая единица) номинально ограничена величиной примерно 1 кОм (т. е. ток порядка 1 мА). Но для некоторых разновидностей (как для выходов микроконтроллеров AVR) допустимый ток значительно выше, и может достигать 20–40 мА. Причем это штатный долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить: не превышается ли предельно допустимое значение рассеиваемой мощности для корпуса (0,5–0,7 Вт). В противном случае, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключенных к низкоомной нагрузке.

Заметки на полях

ТТЛ-микросхемы значительно менее удобны на практике, поскольку для них характерно балансирование десятыми вольта: напряжение логического нуля составляет не более 0,8 В, напряжение порога переключения от 1,2 до 2 В, напряжение логической единицы не менее 2,4 В. Иногда вы и сейчас можете встретить подобные требования к логическим уровням (в целях совместимости). ТТЛ могут работать в довольно узком диапазоне напряжений питания: практически от 4,5 до 5,5 В, а нормы предполагают обычно от 4,75 до 5,25 В, т. е. 5 В ±5 %. Максимально допустимое напряжение питания составляет для разных ТТЛ-серий от 6 до 7 В, при превышении его они обычно «горят ясным пламенем». Низкий и несимметричный относительно питания порог срабатывания элемента приводит и к невысокой помехоустойчивости. Другим крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое потребление (до 2,5 мА на один базовый элемент), так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много таких элементов, не требуют охлаждающего радиатора. По всем этим причинам, даже если вы будете повторять старые схемы на ТТЛ-микросхемах, их рекомендуется заменять на современные АС или НС-элементы КМОП, с которыми они совместимы по выводам.