2.3.4. Особливості експлуатації мікросхем кмон

Реалізація логічних функцій. Інвертуючі ключі КМОН ІС виступають базовою структурою для побудови логічних елементів виду І-НІ, АБО-НІ та більш складних.

Рис. 2.30

Організація елементів І-НІ забезпечується тим, що нижні транзистори ключа з’єднуються послідовно, а верхні – паралельно (рис. 2.30, а). Тобто логічна структура з двома входами будується на двох’ярусній основі. Логічна функція, що реалізується схемою, визначається транзисторами нижнього ярусу. При побудові логічних елементів такого типу послідовно з’єднується декілька транзисторів і, відповідно, зростає їх опір. Це приводить до зростання постійних часу заряду-розряду паразитних ємностей, тобто до зниження швидкодії. Щоб запобігти цьому явищу на практиці приходиться збільшувати розміри транзистора (перерізу каналу). Тому практично краще для збільшення кількості входів робити каскадне з’єднання декількох більш простих елементів.

Для реалізації операції АБО нижні транзистори (VT2, VT4), (рис. 2.30, б) з’єднується паралельно.

Логічні елементи І-НІ, АБО-НІ з більшою кількістю входів створюються аналогічно. У сучасних серіях мікросхем елементи І-НІ, АБО-НІ виготовляються на 2, 3 та 4 входи.

При необхідності збільшення кількості входів використовуються два способи побудови монтажної логіки.

Перший з них подібно до ТТЛ базується на використанні мікросхем з відкритим стоком (наприклад, логічний елемент 564ЛА10 – 2(2І-НІ)). Недолік цього шляху полягає в тому, що логічні елементи з відкритим стоком мають лише два входи.

Другий спосіб базується на використанні звичайних елементів І-НІ, АБО-НІ. На рис. 2.31 приводяться приклади реалізації багатовходових елементів І-НІ (рис. 2.31, а) та АБО-НІ (рис. 2.31, б) на основі елементів з меншою кількістю входів.

Для схеми (рис. 2.31, а) маємо:

Відповідно для схеми (рис. 2.31, б) маємо:

Кількість мікросхем і діодів може бути більшою, ніж приведено на схемі.

Використання двонаправлених ключів. Двонаправлені ключі в КМОН-технологіях є складовою частиною багатьох мікросхем – мультиплексорів, перетворювачів кодів та ін. Вони також виготовляються як самостійні вироби, що дозволяють забезпечувати комутацію цифрових та аналогових сигналів зі струмом до 10 мA.

Як приклад, розглянемо можливості використання мікросхеми К564КТ3, що має чотири незалежні ключі, за типом того, що приведений на рис. 2.26. Опір каналу ключа залежить від напруги живлення і при Е = 15 В має величину, що не перевершує 60 Ом. Характер опору – активний у діапазоні частот до 40 МГц. Канал керування – ізольований, з опором ізоляції до 10¹² Ом. Для спеціалістів з аналогової техніки корисними будуть такі дані: коефіцієнт гармонік синусоїдального сигналу K_f  < 1%; перехресні завади між будь-якими двома ключами мікросхеми – менше -50 дБ.

Більш детальну інформацію можна одержати з довідників.

Керовані ключі знаходять широке застосування. На рис. 2.32 приведені приклади їх використання в якості релейних елементів з відповідними схемами комутації.

На рис. 2.32, д приведена схема керування магазином опорів, яка може широко використовуватись в аналого-цифрових перетворювачах, у різних аналогових та генераторних схемах з цифровим керуванням. Подібним шляхом можливо організувати керування конденсаторним набором та ін. Широке використання двонаправлені ключі знайшли в серіях К590, К543.

О собливості використання монтажної логіки. Найчастіше монтажна логіка використовується в схемах 2І-НІ, в яких витік верхнього n- транзистора виводиться без з’єднання з транзисторами р- навантаження. Витік може бути приєднаний до напруги живлення через зовнішні елементи – такі, як резистори, створюючи монтажну логіку, котушки реле, світло діоди і т.д.

На рис. 2.33 приводиться приклад монтажної логіки, де елемент DD1 має відкритий витік. У схемах монтажної логіки резистор зовнішнього навантаження R повинен мати по можливості менший опір. Але, в той же час, він не може бути дуже малим, оскільки ним задається величина вхідного струму мікросхеми. Наприклад, при величині вхідного струму 5 мА необхідно мати R = 1 кОм. Це значно перевищує R_р , а тому швидкодія таких ключових схем буде значно меншою.

При використанні схем з відкритим витоком величина обмежуючого опору R_O знаходиться за формулою:

.

де U_CД , I_CД – відповідно, падіння напруги на світлодіоді (0,3…0,4 В) та його робочий струм (10…30 мА).

Більшість світлодіодів не критичні до величини робочого струму, тому і вибір R_O може бути досить вільним.

У той же час, при виборі резистора навантаження необхідно враховувати наступні обмеження:

1. Сумарний струм через обмежуючий резистор у низькому стані мікросхеми монтажної логіки і вхідний струм низького стану керованих нею мікросхем не повинен перевищувати струм активного виходу в низькому стані. Цю особливість пояснює рис. 2.34, а, де струм І через резистор R визначається як різниця між вхідним струмом низького рівня мікросхеми DD2 і вхідним струмом мікросхем DD3, DD4, тобто І = 4 – 2 × 0,4 = 3,2 мА. Відповідно, мінімальна величина опору резистора R повинна бути

.

2. Падіння напруги на опорі в високому закритому стані не повинно знижувати вихідну напругу до рівня, нижчого U ¹_МІН, гарантуючи мінімальний високий рівень для мікросхем навантаження. Відповідно до рис. 2.34, б, загальний споживаний струм складає:

І = 2  5 мкА + 2  20 мкА = 50 мкА.

Падіння напруги на резисторі повинно бути меншим ніж 1,5 В, тому

R  1,5 / 50  10⁶ = 30 кОм.

Монтажна логіка на КМОН ІС широко використовується у тих випадках, коли необхідно забезпечувати вибіркову передачу даних на одну шину. Прикладом схеми, що забезпечує таку передачу є рис. 2.35. Якщо, наприклад, необхідно забезпечити передачу даних з входу d₁ на вихід схеми, то на всі входи EN (enable), за винятком EN1, подаються сигнали низького рівня, які переводять виходи відповідних мікросхем в високий стан. На вхід EN1 подається сигнал логічної “1”, внаслідок чого дані з входу d₁ будуть передаватись безпосередньо на вихід з інверсією.

Рис. 2.35

Особливості роботи з мікросхемами КМОН. Порівняно з ТТЛ, КМОН ІС мають ряд особливостей, які як полегшують роботу з ними, так і ускладнюють. Широкий діапазон напруг живлення, постійне співвідношення напруг перемикання, висока перешкодостійкість, мала потужність споживання суттєво спрощують вимоги джерела живлення. Мікросхеми КМОН малочутливі до пульсацій випрямленої напруги живлення, пульсації на рівні (2…3)% від обраної номінальної величини не впливають на роботу цифрових схем. Широкий діапазон робочих напруг дає можливість використовувати одне джерело живлення при комбінаціях ТТЛ – КМОН (5 В); аналогові схеми – КМОН ІС (15 В) та інших. Особливих умов для узгодження мікросхем у таких випадках немає, необхідно лише врахувати величини навантаження на виходах. У тих випадках, коли рівні навантаження не узгоджуються, використовуються спеціальні узгоджуючі мікросхеми, які випускаються як в серіях КМОН, так і ТТЛ. Вони дають можливість узгодити сигнали не тільки по навантаженню, а і по рівнях напруги, якщо мікросхеми ТТЛ і КМОН живляться від різних джерел.

До особливостей КМОН ІС, які завдають “головного болю” розробникам, слід віднести їх високу чутливість до електростатичних зарядів, малий рівень вихідного струму, наявність охоронної діодної схеми, можливість тиристорного ефекту та ін. Вони вимагають строгого виконання правил користування, які в різній мірі розкривались у попередніх розділах.

Чутливість до електростатичних зарядів приводить до необхідності дбайливого поводження з мікросхемами на всіх стадіях роботи з ними. Детально ці питання розкриті в спеціальній літературі. Нижче приводяться основні з них.

Весь час до монтажу мікросхеми повинні зберігатись так, щоб всі виводи були з’єднані між собою за допомогою фольги; при монтажі виводи необхідно спочатку з’єднувати з загальною шиною, потім підключати шини живлення і, нарешті, інформаційні входи та виходи; вільні виводи повинні бути з’єднані з одною з шин живлення (особливість підключення вільних входів буде розглянута більш детально згодом); вільні виходи мікросхеми необхідно залишати без підключення; при монтажі весь інструмент радіомонтажника повиннен мати надійне заземлення; мікросхеми на плату встановлюються останніми.

Підключення входів до загальної шини чи до шини живлення залежить від логіки роботи мікросхеми. Наприклад, для елемента І-НІ рекомендуються два варіанти підключення вільних входів. Якщо вільні входи підключаються до шини живлення, то відкривання n- канальних транзисторів інверторів, за рахунок постійного зміщення, проявляється раніше. Загальна порогова напруга буде меншою, ніж у випадку, коли всі входи з’єднуються з інформаційними. Як наслідок цієї особливості, витікає наступне правило. Якщо перешкоди в схемі проходять по загальній шині, то вільні входи мікросхеми необхідно з’єднувати з інформаційними. Якщо ж перешкоди проходять по шині живлення, то вільні входи слід приєднати до шини живлення.

Н езначна величина вихідного струму мікросхем приводить до необхідності обмеження в ємності навантаження. Зміна станів ключа супроводжується її зарядом та розрядом. Струми заряду-розряду обмежуються активними опорами каналів транзисторів, і при великій ємності навантаження їх величина може досягати недопустимих величин.

У тих випадках, коли ємність навантаження досить велика, захист транзисторів ключа може бути забезпечений допоміжним обмежувальним резистором R_g1 , встановленим безпосередньо на виході ключа (рис. 2.36), який обмежує струм розряду конденсатора I ⁰_ВИХ . Але в ситуації, коли при зарядженому конденсаторі вимикається живлення схеми, розрядний струм І ¹_ВХ конденсатора замикається через вхідний діод VD наступного ключа. Для його обмеження на рівні 1…2 мA, допустимому для діода, встановлюється допоміжний резистор R_g2 . Він дає можливість обмежувати також і струм охоронних діодів у тих випадках, коли порушується умова (2.20) по рівню вхідної напруги. Струм охоронних діодів I_gc також необхідно обмежувати рівнем 1…2 мA. Тому величина R_g2 залежатиме від можливого рівня вхідної напруги негативної полярності. Відповідно до (2.22), величина R_g2 може бути обчислена за формулою:

.

При роботі мікросхем в імпульсних генераторах величина U_ВХ може досягати напруги живлення.

Наявність резисторів R_g1, R_g2 не знижує статичних характеристик ключів, але може суттєво впливати на їх швидкодію.

Особливості сумісного використання КМОН та ТТЛ ІС. При проектуванні цифрових систем проектант повинен підібрати тип використовуваних мікросхем, виходячи з необхідних експлуатаційних параметрів – таких, як швидкодія, потужність, вартість та ряд інших. Але часто мають місце ситуації, коли в обраній серії відсутні ті чи інші типи мікросхем, які існують в інших серіях. У таких випадках з’являється необхідність узгодженого використання різних серій мікросхем. У найбільшій мірі це зустрічається при необхідності сумісної роботи КМОН і ТТЛ ІС.

Існує декілька факторів, які необхідно враховувати при з’єднанні різних серій мікросхем.

Перший з них – це порогові рівні логічних сигналів. Узгодження порогових рівнів необхідно забезпечувати як для сигналів низького рівня, так і для високого. Для сигналів низького рівня це вихідна напруга керуючого попереднього елемента U ⁰_{ВИХ. МАКС} і вхідна напруга керованого наступного елемента U ⁰_{ВХ. МАКС} . Для надійної роботи наступної мікросхеми необхідно виконання умови:

U ⁰_{ВХ МАКС} – U ⁰_{ВИХ МАКС} > 0.

Аналогічно, для сигналів високого рівня узгодженість забезпечується напругами U ¹_{ВИХ.МІН} керуючого елемента і U ¹_{ВХ. МІН} керованого елемента. Узгодженість забезпечується при виконанні умови:

U ¹_{ВИХ. МІН} – U ¹_ВХ.МІН > 0.

З описаних вище серій мікросхем не всі довільно вибрані пари можуть відповідати вказаним умовам.

Другий фактор, який необхідно обов’язково враховувати при з’єднанні різних типів мікросхем, – це узгодженість вихідних і вхідних струмів. Цей фактор можна не враховувати лише тоді, коли керованими є мікросхеми КМОН. У той же час, якщо мікросхема КМОН працює на декілька входів ТТЛ, то особливу увагу слід приділяти величині струму, який споживається ТТЛ мікросхемами при низькому рівні вхідного сигнала.

Третій фактор узгодження – це ємність навантаження, яка для обох типів мікросхем приводить до зростання величин часових затримок і динамічної потужності розсіювання. Для серій КМОН вона пропорційна величині

С × Е² × f ,

де f – частота перемикання логічного елемента; С – ємність паразитного конденсатора на його виході. Для ТТЛ серій вона значно менша порівняно з статичною потужністю. Величина ємності навантаження в основному визначається кількістю приєднаних входів до виходу керуючої мікросхеми, тому необхідно керуватись попередньою інформацією відносно невикористаних входів.