Меню

Cmos мощность от частоты



CMOS — CMOS

Комплементарный металл-оксид-полупроводник ( CMOS ), также известный как металл-оксид-полупроводник с комплементарной симметрией ( COS-MOS ), представляет собой процесс производства полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в котором используются дополнительные и симметричные пары полевых МОП — транзисторов p-типа и n-типа для логических функций. Технология CMOS используется для создания микросхем интегральных схем (IC), включая микропроцессоры , микроконтроллеры , микросхемы памяти (включая CMOS BIOS ) и другие цифровые логические схемы. Технология CMOS также используется для аналоговых схем, таких как датчики изображения ( CMOS-датчики ), преобразователи данных , RF-схемы ( RF CMOS ) и высокоинтегрированные приемопередатчики для многих типов связи.

Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели полевой МОП-транзистор в Bell Labs в 1959 году, а затем продемонстрировали процессы изготовления PMOS (MOS p-типа) и NMOS (MOS n-типа) в 1960 году. Эти процессы были позже объединены и адаптированы в дополнительные Процесс MOS (CMOS), разработанный Chih-Tang Sah и Frank Wanlass из Fairchild Semiconductor в 1963 году. RCA коммерциализировала технологию под торговой маркой «COS-MOS» в конце 1960-х, вынудив других производителей найти другое название, что привело к тому, что «CMOS» стала стандартное название технологии к началу 1970-х годов. CMOS в конечном итоге обогнала NMOS в качестве доминирующего процесса изготовления MOSFET для микросхем очень крупномасштабной интеграции (VLSI) в 1980-х годах, одновременно заменив более раннюю технологию транзисторно-транзисторной логики (TTL). КМОП с тех пор остается стандартным процессом изготовления полупроводниковых устройств MOSFET в микросхемах СБИС. По состоянию на 2011 год 99% микросхем IC, включая большинство цифровых , аналоговых и смешанных микросхем, производятся с использованием технологии CMOS.

Двумя важными характеристиками устройств CMOS являются высокая помехоустойчивость и низкое статическое энергопотребление . Поскольку один транзистор пары MOSFET всегда выключен, последовательная комбинация потребляет значительную мощность только на мгновение во время переключения между включенным и выключенным состояниями. Следовательно, устройства CMOS не производят столько отработанного тепла, как другие формы логики, такие как логика NMOS или транзисторно-транзисторная логика (TTL), которые обычно имеют некоторый постоянный ток, даже когда они не меняют состояние. Эти характеристики позволяют CMOS объединять в кристалле высокую плотность логических функций. В первую очередь по этой причине CMOS стала наиболее широко используемой технологией для реализации в микросхемах VLSI.

Фраза «металл – оксид – полупроводник» относится к физической структуре полевых МОП -транзисторов , в которых металлический электрод затвора расположен поверх оксидного изолятора, который, в свою очередь, находится поверх полупроводникового материала . Когда-то использовался алюминий, но теперь это поликремний . Другие металлические ворота вернулись с появлением диэлектрических материалов с высоким κ в процессе CMOS, как было заявлено IBM и Intel для узла 45 нанометров и меньших размеров.

Содержание

  • 1 Технические детали
  • 2 История
  • 3 инверсия
    • 3.1 Контакты источника питания
    • 3.2 Двойственность
    • 3.3 Логика
    • 3.4 Пример: логический элемент NAND в физической схеме
  • 4 Мощность: переключение и утечка
    • 4.1 Статическое рассеяние
    • 4.2 Динамическое рассеяние
      • 4.2.1 Зарядка и разряд нагрузочных емкостей
  • 5 Защита входа
  • 6 Аналоговый CMOS
    • 6.1 RF CMOS
  • 7 Температурный диапазон
  • 8 одноэлектронных МОП-транзисторов
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дальнейшее чтение
  • 12 Внешние ссылки

Технические детали

«КМОП» относится как к конкретному стилю проектирования цифровых схем, так и к семейству процессов, используемых для реализации этой схемы на интегральных схемах (микросхемах). Схема CMOS рассеивает меньше энергии, чем логические семейства с резистивной нагрузкой. Поскольку это преимущество увеличивалось и становилось все более важным, процессы и варианты КМОП стали доминировать, поэтому подавляющее большинство современных производств интегральных схем основано на процессах КМОП. Логика CMOS потребляет в 7 раз меньше энергии, чем логика NMOS , и примерно в 100000 раз меньше энергии, чем биполярная транзисторно-транзисторная логика (TTL).

В КМОП-схемах используется комбинация металл-оксидно-полупроводниковых полевых транзисторов p-типа и n-типа (MOSFET) для реализации логических вентилей и других цифровых схем. Хотя логика КМОП может быть реализована с помощью дискретных устройств для демонстрации, коммерческие изделия КМОП представляют собой интегральные схемы, состоящие из миллиардов транзисторов обоих типов на прямоугольном куске кремния размером от 10 до 400 мм 2 .

КМОП всегда использует все полевые МОП — транзисторы в режиме улучшения (другими словами, нулевое напряжение затвор-исток выключает транзистор).

История

Принцип дополнительной симметрии впервые был введен Джорджем Шиклаем в 1953 году, который затем обсудил несколько дополнительных биполярных схем. Пол Веймер , также из RCA , изобрел в 1962 году дополнительные схемы TFT , близких родственников CMOS. Он изобрел дополнительные триггерные и инверторные схемы, но не работал с более сложной дополнительной логикой. Он был первым, кто смог соединить p-канальные и n-канальные TFT в схему на одной подложке. Три года назад Джон Т. Уоллмарк и Сэнфорд М. Маркус опубликовали множество сложных логических функций, реализованных в виде интегральных схем с использованием полевых транзисторов , включая дополнительные схемы памяти. Фрэнк Ванласс был знаком с работой, проделанной Веймером в RCA.

МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор, или МОП — транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г. Были первоначально два типа MOSFET процессов изготовления , МОП ( р-типа МОП) и NMOS ( МОП n-типа ). Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они первоначально изобрели полевой МОП-транзистор, в 1960 г. были изготовлены устройства ПМОП и НМОП с длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм . В то время как MOSFET изначально игнорировался и игнорировался Bell Labs в пользу биполярных транзисторов , изобретение MOSFET вызвало значительный интерес в Fairchild Semiconductor . Основываясь на работе Аталлы, Чих-Тан Сах представил MOS-технологию компании Fairchild со своим тетродом, управляемым МОП- схемами, изготовленным в конце 1960 года.

Чих-Танг Сах и Фрэнк Ванласс из Fairchild разработали новый тип логики MOSFET, объединяющий процессы PMOS и NMOS, названный дополнительным MOS (CMOS) . В феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательской статье . Позднее Ванласс подал патент США 3 356 858 на схему КМОП в июне 1963 года, и он был выдан в 1967 году. И в исследовательской работе, и в патенте описывалось производство КМОП-устройств на основе термического окисления кремниевой подложки с получением слой диоксида кремния, расположенный между контактом стока и контактом истока.

CMOS была коммерциализирована RCA в конце 1960-х годов. RCA приняла КМОП для проектирования интегральных схем (ИС), разработав схемы КМОП для компьютера ВВС в 1965 году, а затем 288- битный чип памяти CMOS SRAM в 1968 году. RCA также использовала КМОП для своих интегральных схем серии 4000 в 1968 году. начиная с процесса производства полупроводников с размером частиц 20 мкм, а затем постепенно переходя к процессу с размером частиц 10 мкм в течение следующих нескольких лет.

Технология CMOS изначально игнорировалась американской полупроводниковой промышленностью в пользу NMOS, которая в то время была более мощной. Однако КМОП была быстро принята и усовершенствована японскими производителями полупроводников из-за низкого энергопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой промышленности. В 1969 году компания Toshiba разработала C²MOS (Clocked CMOS), технологию схем с меньшим энергопотреблением и более высокой скоростью работы, чем у обычных CMOS. Toshiba использовала свою технологию C²MOS для разработки микросхемы крупномасштабной интеграции (LSI) для кармана Sharp Elsi Mini LED калькулятор , разработанный в 1971 году и выпущенный в 1972 году. Suwa Seikosha (ныне Seiko Epson ) начал разработку микросхемы CMOS IC для кварцевых часов Seiko в 1969 году и начал массовое производство с запуском часов Seiko Analog Quartz 38SQW в 1971 году. Первым массовым продуктом бытовой электроники на КМОП- технологии были цифровые часы Hamilton Pulsar «Wrist Computer», выпущенные в 1970 году. Из-за низкого энергопотребления логика КМОП широко использовалась в калькуляторах и часах с 1970-х годов.

Читайте также:  Виды усилителей мощности с генератором

Первые микропроцессоры в начале 1970-х были процессорами PMOS, которые первоначально доминировали в индустрии ранних микропроцессоров . К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. КМОП-микропроцессоры были представлены в 1975 году в Intersil 6100 и RCA CDP 1801 . Однако процессоры CMOS не стали доминирующими до 1980-х годов.

КМОП изначально была медленнее, чем логика NMOS , поэтому в 1970-х годах NMOS более широко использовалась для компьютеров. Intel 5101 (1 кб SRAM ) КМОП — микросхемы памяти (1974) имел время доступа 800 нс , тогда как самый быстрый чип NMOS в то время, 2147 (4 Intel кб SRAM) HMOS чип памяти (1976), имел время доступа 55/70 нс. В 1978 году исследовательская группа Hitachi во главе с Тошиаки Масухарой ​​представила двухлуночный процесс Hi-CMOS с микросхемой памяти HM6147 (4 КБ SRAM), изготовленной по технологии 3 мкм . Чип Hitachi HM6147 смог достичь производительности (55/70 нс) чипа Intel 2147 HMOS, в то время как HM6147 также потреблял значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110 мА). Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухлуночный CMOS-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х.

В 1980-х годах микропроцессоры CMOS обогнали микропроцессоры NMOS. НАСА «s Galileo космический аппарат, посланный на орбиту Юпитера в 1989 году, использовали RCA 1802 CMOS микропроцессор в связи с низким потреблением энергии.

Intel представила процесс изготовления полупроводниковых КМОП- устройств с размером 1,5 мкм в 1983 году. В середине 1980-х Биджан Давари из IBM разработал высокопроизводительную низковольтную КМОП-технологию глубокой субмикронной области, которая позволила разрабатывать более быстрые компьютеры, а также портативные компьютеры и портативная электроника с батарейным питанием . В 1988 году Давари возглавил команду IBM, которая продемонстрировала высокопроизводительный 250-нанометровый процесс CMOS.

Fujitsu коммерциализировала процесс 700 нм CMOS в 1987 году, а затем Hitachi, Mitsubishi Electric , NEC и Toshiba коммерциализировали CMOS 500 нм в 1989 году. В 1993 году Sony ввела в продажу процесс CMOS 350 нм , в то время как Hitachi и NEC выпустили 250 нм CMOS. Hitachi представила процесс 160 нм CMOS в 1995 году, затем Mitsubishi представила 150 нм CMOS в 1996 году, а затем Samsung Electronics представила 140 нм в 1999 году.

В 2000 году Гертеж Сингх Санду и Чынг Т. Доан в Micron Technology изобретены осаждения атомный слой высокого К диэлектрические пленки , что приводит к развитию экономически эффективной 90 нм КМОП — процесс. Toshiba и Sony разработали 65-нм CMOS-процесс в 2002 году, а затем TSMC инициировала разработку 45-нм CMOS-логики в 2004 году. Разработка двойного шага паттерна Гуртеем Сингхом Сандху в Micron Technology привела к разработке 30- нм CMOS класса в 2000-е гг.

CMOS используется в большинстве современных устройств LSI и VLSI . По состоянию на 2010 год ЦП с наилучшей производительностью на ватт каждый год являлись статическими КМОП- логиками с 1976 года. По состоянию на 2019 год планарная КМОП-технология по-прежнему является наиболее распространенной формой производства полупроводниковых устройств, но постепенно заменяется неплоской технологией FinFET. , которая позволяет изготавливать полупроводниковые узлы размером менее 20 нм .

Инверсия

КМОП-схемы построены таким образом, что все металл-оксидно-полупроводниковые (PMOS) транзисторы P-типа должны иметь вход либо от источника напряжения, либо от другого транзистора PMOS. Точно так же все транзисторы NMOS должны иметь вход от земли или от другого транзистора NMOS. Состав PMOS-транзистора создает низкое сопротивление между его контактами истока и стока при приложении низкого напряжения затвора и высокое сопротивление при приложении высокого напряжения затвора. С другой стороны, состав NMOS-транзистора создает высокое сопротивление между истоком и стоком при приложении низкого напряжения затвора и низкое сопротивление при приложении высокого напряжения затвора. CMOS обеспечивает снижение тока, дополняя каждый nMOSFET полевым pMOSFET и соединяя оба затвора и оба стока вместе. Высокое напряжение на затворах заставит nMOSFET проводить, а pMOSFET — не проводить, в то время как низкое напряжение на затворах вызывает обратное. Такое расположение значительно снижает потребление энергии и тепловыделение. Однако во время переключения оба полевых МОП-транзистора непродолжительное время работают, поскольку напряжение затвора переходит из одного состояния в другое. Это вызывает кратковременный всплеск энергопотребления и становится серьезной проблемой на высоких частотах.

На соседнем изображении показано, что происходит, когда вход подключен как к транзистору PMOS (верхняя часть диаграммы), так и к транзистору NMOS (нижняя часть диаграммы). Когда напряжение на входе A низкое, канал транзистора NMOS находится в состоянии высокого сопротивления. Это ограничивает ток, который может течь от Q к земле. Канал транзистора PMOS находится в состоянии с низким сопротивлением, и от источника питания к выходу может течь гораздо больше тока. Поскольку сопротивление между напряжением питания и Q невелико, падение напряжения между напряжением питания и Q из-за тока, потребляемого от Q, невелико. Таким образом, на выходе регистрируется высокое напряжение.

С другой стороны, когда напряжение на входе A высокое, транзистор PMOS находится в состоянии ВЫКЛ (высокое сопротивление), поэтому он будет ограничивать ток, протекающий от положительного источника питания к выходу, в то время как транзистор NMOS находится в состоянии ВКЛ ( низкое сопротивление) состояние, позволяющее выводить сток на землю. Поскольку сопротивление между Q и землей невелико, падение напряжения из-за тока, протекающего через Q, при размещении Q над землей невелико. Это низкое падение приводит к регистрации низкого напряжения на выходе.

Короче говоря, выходы транзисторов PMOS и NMOS дополняют друг друга, так что, когда на входе низкий уровень, на выходе высокий уровень, а когда на входе высокий уровень, на выходе низкий. Из-за такого поведения входа и выхода выход схемы CMOS является обратным входу.

Контакты блока питания

Контакты источника питания для CMOS называются V DD и V SS или V CC и Земля (GND) в зависимости от производителя. V DD и V SS являются переходами от обычных схем МОП и обозначают источники стока и истока . Они не относятся непосредственно к CMOS, поскольку оба источника действительно являются исходными. V CC и Ground являются перенесенными из логики TTL, и эта номенклатура была сохранена с введением линейки 54C / 74C CMOS.

Двойственность

Важной характеристикой схемы CMOS является двойственность, существующая между ее транзисторами PMOS и транзисторами NMOS. Схема CMOS создана для того, чтобы всегда существовать путь от выхода до источника питания или земли. Для этого набор всех путей к источнику напряжения должен быть дополнением набора всех путей к земле. Этого легко добиться, определив одно в терминах НЕ другого. В соответствии с логикой, основанной на законах Де Моргана, параллельно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие последовательно включенные NMOS-транзисторы, в то время как последовательно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие параллельные NMOS-транзисторы.

Логика

Более сложные логические функции, например, включающие элементы И и ИЛИ, требуют манипулирования путями между воротами для представления логики. Когда путь состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, оба транзистора должны иметь низкое сопротивление к соответствующему напряжению питания, моделируя логическое И. Когда путь состоит из двух параллельно включенных транзисторов, один или оба транзистора должны иметь низкое сопротивление для подключения напряжения питания к выходу, моделируя ИЛИ.

Показанный на правой является принципиальной схемой из логического элемента в КМОП — логики. Если оба входа A и B имеют высокий уровень, то оба транзистора NMOS (нижняя половина диаграммы) будут проводить, ни один из транзисторов PMOS (верхняя половина) не будет проводить, и между выходом и V будет установлен токопроводящий путь. ss (земля), понижая выходной уровень. Если на обоих входах A и B низкий уровень, то ни один из транзисторов NMOS не будет проводить, в то время как оба транзистора PMOS будут проводить, устанавливая токопроводящий путь между выходом и V dd (источником напряжения), обеспечивая высокий уровень на выходе. Если на любом из входов A или B низкий уровень, один из транзисторов NMOS не будет проводить, один из транзисторов PMOS будет проводить, и между выходом и V dd (источником напряжения) будет установлен токопроводящий путь , в результате чего на выходе будет высокий уровень. Как только конфигурации из двух входов , что приводит к низкому выходу является , когда оба являются высокими, эта схема реализует NAND (И — НЕ) логический вентиль.

Читайте также:  Мощность это произведение скорости

Преимущество CMOS перед логикой NMOS заключается в том, что переходы выходного сигнала с низкого на высокий и с высокого на низкий происходят быстро, поскольку подтягивающие транзисторы (PMOS) имеют низкое сопротивление при включении, в отличие от нагрузочных резисторов в логике NMOS. Кроме того, выходной сигнал переключает полное напряжение между нижним и верхним рельсами. Этот сильный, почти симметричный отклик также делает CMOS более устойчивым к шумам.

См. В разделе « Логическое усилие» метод расчета задержки в схеме CMOS.

Источник

Что такое матрица CMOS на материнской плате?

 Что такое матрица CMOS BIOS?

CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник) — это термин, обычно используемый для описания небольшого объема памяти на материнской плате компьютера, в которой хранятся настройки BIOS. Некоторые из этих настроек BIOS включают системное время и дату, а также настройки оборудования. Большинство разговоров о CMOS включает в себя очистку CMOS.

Если извлечь батарею, то произойдет сброс настроек BIOS до их уровней по умолчанию. Это действительно простая задача, которая считается отличным шагом для устранения многих типов компьютерных проблем.

Датчик CMOS отличается — он используется цифровыми камерами для преобразования изображений в цифровые данные.

Как еще называют чип CMOS?

КМОП иногда называют часами реального времени (RTC), ОЗУ КМОП, энергонезависимой ОЗУ (NVRAM), энергонезависимой памятью BIOS или комплементарной симметрией металл-оксид-полупроводник (COS-MOS).

Как BIOS и CMOS работают вместе?

BIOS представляет собой компьютерный чип на материнской плате, такой как CMOS, за исключением того, что он предназначен для связи между процессором и другими аппаратными компонентами, такими как жесткий диск, порты USB, звуковая карта, видеокарта и многое другое. Компьютер без BIOS не поймет, как эти части компьютера работают вместе.

Смотрите наш Что такое BIOS? часть для получения дополнительной информации о BIOS.

CMOS также считается компьютерным чипом на материнской плате, или, более конкретно, чипом ОЗУ, это означает, что он теряет настройки, которые хранит при выключении компьютера. Тем не менее, батарея CMOS используется для обеспечения постоянного питания чипа.

Когда компьютер загружается в первый раз, BIOS извлекает информацию из чипа CMOS, чтобы понять настройки оборудования, время и все, что в нем хранится.

Что такое батарея CMOS?

Как заменить батарейку cmos на материнской плате?Произвести замену батареи, можно с помощью плоской отвертки

CMOS обычно питается от батарейки типа CR2032, называемой батареей CMOS. Большинство батарей CMOS работают в течение срока службы материнской платы, в большинстве случаев до 10 лет, но иногда их необходимо заменить.

Неправильная или медленная системная дата и время, а также потеря настроек BIOS считаются основными признаками разряженной или выходящей из строя батареи CMOS. Заменить их так же просто, как заменить неисправный на новый.

Подробнее о матрицах CMOS и CMOS аккумуляторах

В то время как большинство материнских плат имеют место для батареи CMOS, некоторые небольшие компьютеры, такие как планшеты и ноутбуки, имеют небольшой внешний отсек для батареи CMOS, которая подключается к материнской плате через два маленьких провода.

Некоторые устройства, которые используют CMOS, включают в себя микропроцессоры, микроконтроллеры и статическое ОЗУ (SRAM).

Важно понимать, что CMOS и BIOS не являются взаимозаменяемыми терминами для одного и того же. Хотя они работают вместе для выполнения определенной функции в компьютере, они представляют собой два совершенно разных компонента.

Когда компьютер впервые запускается, есть возможность загрузиться в BIOS или CMOS. Открытие настройки CMOS — это то, как вы можете изменить сохраняемые настройки, такие как дата и время, и как впервые запускаются различные компоненты компьютера. Вы также можете использовать настройку CMOS для отключения и включения некоторых аппаратных устройств.

Чипы CMOS желательны для устройств с батарейным питанием, таких как ноутбуки, потому что они потребляют меньше энергии, чем чипы других типов. Хотя они используют как цепи с отрицательной полярностью, так и цепи с положительной полярностью (NMOS и PMOS), одновременно включается только один тип цепи.

Эквивалентом CMOS для Mac является PRAM, что означает RAM параметр.

Источник

Схемотехника ЭВМ

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Вопрос №5. Зависимость быстродействия базовых логических элементов от частоты переключения и потребляемой мощности.

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент . Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно -транзисторной логики ( ДТЛ ), резистивно-транзисторной логики ( РТЛ ), транзисторно-транзисторной логики ( ТТЛ ), эмиттерно-связанной транзисторной логики ( ЭСТЛ ), микросхемы на так называемых комплиментарных МДП структурах ( КМДП ). Элементы КМДП цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл — диэлектрик-полупроводник) — с каналами p- и n-типов. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах .

Наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии и КМДП . На (рис. 1) показана схема базового логического элемента И-НЕ ТТЛ . На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. Если на все его эмиттеры подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток, протекающий через резистор R1 и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2. Падение напряжения на резисторе RЗ будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТЗ закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0. Если же хоть на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д., ещё схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случаи, когда две или более выходов подключены к одной физической линии рисунок 1.

Читайте также:  Мощность 0 7квт что это

Структура КМДП является идеальным переключателем напряжения. Такой переключатель содержит два МДП транзистора с каналами p- и n-типов. При подаче на вход переключателя напряжения высокого уровня открывается n-канальный транзистор и закрывается p-канальный. На рисуноке 2 изображены схемы базовых элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) микросхем КМДП. Напряжение низкого уровня (логический 0) будет на выходе элемента И-НЕ только при одновременной подаче напряжений высокого уровня (логических 1) на все входы X1-ХЗ. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, X1) будет низкого уровня, то закроется n-канальный транзистор VТ6, и откроется p-канальный транзистор VТ1, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМДП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами рисунок 2,б.

Логические КМОП-элементы имеют значительные достоинства. В стационарных состояниях в цепи источника Еп находится запертый транзистор, так что потребляемая элементом мощность незначительна ; по существу, потребление энергии происходит при переключении элемента и возрастает с увеличением частоты переключении . Входное сопротивление полевого транзистора весьма велико. Поэтому элементами на полевых транзисторах данный элемент мало нагружается. При исполнении по интегральной технологии полевой транзистор занимает на подложке меньшую площадь, чем биполярный.

Однако по сравнению с биполярным полевой транзистор является менее быстродействующим и имеет большее сопротивление в открытом состоянии, благодаря чему остаточное напряжение на нем сравнительно велико.

Динамические параметры базовых элементов оценивают, в первую очередь, быстродействием. Количественно быстродействие можно характеризовать предельной рабочей частотой, т. е. максимальной частотой переключения триггера, выполненного на этих базовых элементах. Предельная рабочая частота микросхем ТТЛ серии к155 составляет 10 МГц. а микросхем серий к176 и к561 на КМДП структурах лишь 1 МГц. Быстродействие определяется так же, как среднее время задержки распространения сигнала.

tзд.р.ср.=0,5(t1,0зд.р+t0,1зд.р) , где t1,0зд.р и t0,1зд.р — времена задержки распространения сигнала при включении и выключении рисунок 3.

Среднее время задержки распространения сигнала является более универсальным параметром микросхем, так как, зная его. можно рассчитать быстродействие любой сложной логической схемы суммированием tзд.р.ср для всех последовательно включенных микросхем. Для микросхем серии К155 tзд.р.ср составляет около 20 нс, а для микросхем серии К176 — 200 нс.

Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме оказывается различной при уровнях логического нуля (Р0) и логической единицы на выходе (Р1). В связи с этим измеряют среднюю мощность потребления Рср=(Р0+Р1)/2. Статическая средняя мощность потребления базовых элементов серии К 155 составляет несколько десятков милливатт, а у элементов серий К176 и К561 она более чем в тысячу раз меньше. Следовательно, при необходимости построения цифровых устройств с малым током потреблен нем целесообразно использовать микросхемы на КМДП структурах. Однако следует учитывать, что при работе в динамическом режиме мощность, потребляемая логическими элементами, возрастает. Поэтому помимо Рср задаётся также мощность Рдин, измеряемая на максимальной частоте переключений. Необходимо иметь в виду, что с повышением быстродействия мощность, потребляемая микросхемой увеличивается (с увеличением частоты переключения, а также при увеличении выходной эквивалентной емкости потребляемая мощность возрастает.).

Сравнительная оценка базовых логических элементов . Интегральные микросхемы семейства ТТЛ обладают сравнительно высоким быстродействием при относительно большой потребляемой мощности , высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью. Промышленность выпускает несколько разновидностей ТТЛ ИМС, в том числе ИМС с диодами Шоттки (ТТЛШ) повышенного быстродействия (но большей мощности потребления) и маломощные (но с меньшим быстродействием).

Микросхемы ЭСЛ-типа являются наиболее быстродействующими. Это обусловлено, в частности, тем, что транзисторы элемента работают в активном режиме, чем исключается время выхода из насыщения; перезарядка нагружающих вывод емкостей происходит достаточно быстро через малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей. Наряду с высоким быстродействием и большой нагрузочной способностью ЭСЛ-элемент отличается меньшей, чем ТТЛ-элемент, помехоустойчивостью (ввиду того, что для его переключения достаточен небольшой перепад входного напряжения), а также относительно большим потреблением энергии (за счет работы транзисторов в активном режиме и малых сопротивлений резисторов, дополнительно обеспечивающих быстродействие), что повышает требования к источникам питания и системе охлаждения.

Микросхемы КМОП-типа отличаются исключительно малым потреблением энергии, за счет чего температура кристалла не превышает допустимой при весьма большом количестве компонентов на нем. Это позволяет изготовлять большие интегральные схемы (БИС) КМОП-типа с наивысшей в настоящее время степенью интеграции. Малая потребляемая мощность позволяет использовать аппаратуру на КМОП ИМС при ограниченных возможностях источников питания. Вместе с этим КМОП ИМС отличают высокая помехозащищенность и большое входное сопротивление, следствием чего является высокая нагрузочная способность (большой коэффициент разветвления по выходу). Наряду с этим КМОП-элемент имеет ограниченный коэффициент объединения по входу. Это связано с тем, что число входов равно числу нагрузочных транзисторов; за счет значительного падения напряжения на большом количестве отпертых нагрузочных транзисторов напряжение U1 логической 1 на выходе может существенно снизиться. По быстродействию микросхемы КМДП-типа принципиально уступают микросхемам ЭСЛ — и ТТЛ-типов.

В табл. 2.1 сведены усредненные параметры элементов рассмотренных типов. Конкретные параметры микросхем разных серий приведены в справочниках.

Вопрос № 6. Приемущество программируемых логических матриц перед традиционной «жёсткой» логикой, используемой при проектировании цифровых устройств.

Принцип микропрограммного управления предложен в 1951г. М. Уилксом и предполагает наличие в любой цифровой системе устройства управления (УУ), координирующего работу всех блоков системы. Исполнительная часть системы, осуществляющая обработку данных, называется операционным автоматом (ОА), а цифровая система в целом называется операционным устройством.

Алгоритм управления системы задаётся кодом управления, поступающим в УУ из внешней среды. Алгоритм управления ОА называется микропрограммой.

Микропрограмма может быть представлена в виде последовательности микрокоманд, хранящихся в специальной управляющей памяти и представляющих собой определённым образом организованные битовые строки. Такой подход порождает автоматы с «программируемой» логикой или микропрограммные устройства управления (МУУ).

Реализация микропрограммы в виде сети элементов «И», «ИЛИ», «НЕ», связанной с регистром памяти, порождает автомат с «жёсткой» логикой или микропрограммный автомат (МПА). Сеть элементов называется комбинационной схемой (КС).

Вследствии быстрого роста сложности электронных схем все чаще требуется применение высокоинтегрированных специализировенных интегральных микросхем. К числу таких изделий микроэлектронники относятся программируемые пользователем логические ИМС (ПЛИС) или программируемые логические устройства (Programmable Logic Devices — PLD ).

Программирование ПЛИС осуществляется самим пользователем , конструктором аппаратуры. В результате программирования в схему вносятся обратимые или необратимые изменения исходной структуры ПЛИС.

Основное преимущество ПЛИС перед другими специализированными схемами — малое время изготовления требуемых заказных вариантов схем. Изделие всегда имеется на складе, и нет необходимости обращаться к изготовителям ИМС для нанесения металлической маски и установки кристалла в корпус. Достаточно включить соответствующие средства программирования и через несколько секунд или минут заказная схема будет готова. Из-за простоты и доступности процесса специализации программаторы ПЛИС иногда называют «фабрикой на столе «.

Основное назначение ПЛИС — замена логических серий интегральных микросхем с малой и средней степенью интеграции.

В зависимости от уровня сложности одна современная ПЛИС может функционально заменить от 4-5 до 60 и более микросхем с малой и средней степенью интеграции. ПЛИС широко используються в качестве интерфейсных схем, в микропроцессорных системах для организации обмена и стыковки различных БИС между собой и утройствами ввода-вывода.

Источник