Сейчас, однако, нам придется довольствоваться не претендующим на глубину описанием логического элемента на основе МОП-транзистора с полевым эффектом. Используются два типа полевых МОП-транзисторов. р-Канальный транзистор открыт в том случае, когда напряжение на затворе (т. е. на входе) является нулевым по отношению к истоку, а п-каналь-ный транзистор открыт в том случае, когда напряжение на затворе положительно по отношению к истоку.

Принципиальная схема простого КМОП-инвертора приведена на рис. 2.10. В симметричной дополняющей схеме, показанной на рисунке, использованы последовательно соединенные р-канальный и п-канальный транзисторы. Выход снимается с общей точки, которая служит истоком для одного транзистора и стоком для другого. Входной сигнал подается одновременно на оба затвора.

Если входной сигнал представляет собой низкий уровень напряжения (О В), то транзистор Q,i будет заперт, а транзистор Qb открыт. Благодаря этому потенциал Vcc может пройти на выход. При положительном скачке входного сигнала ситуация изменяется, транзисторы Qi и Q2 меняются ролями: теперь транзистор Qi открыт, а Q2 заперт. При этом на выходе фиксируется потенциал земли (О В).

Если выходной каскад КМОП-инвертора представить в виде последовательного соединения одних сопротивлений транзисторов Qi и Q2, то со стороны выхода схема будет выглядеть так, как показано на рис. 2.11.

Рис. 2.11, а соответствует случаю, когда напряжение на входе имеет низкий уровень, транзистор Qi заперт, а Q2 открыт. В связи с этим Rqi имеет большое сопротивление, а Rq2 - маленькое. Делитель напряжения срабатывает обычным образом, благодаря чему напряжение на выходе оказывается высоким. Однако положение дел меняется, если напряжение на входе имеет высокий уровень. Этот случай показан на рис. 2.11,6. При этом транзистор Qi открыт, а Q2 заперт. В этом случае меняются и относительные сопротивления транзисторных каналов, Rqi теперь имеет малое сопротивление, а Rq-большое. И снова срабатывает делитель напряжения, в результате чего напряжение на выходе оказывается низким.

На рис. 2.11 показано одно из характерных свойств КМОП-приборов. В типичном КМОП-приборе при высоком уровне напряжения на входе выход обладает малым сопротивлением по отношению к шине Vcc ( + ), а при низком уровне напряжения на входе обладает малым сопротивлением по отношению к шине земли. При каждом состоянии выхода запертый транзистор представляет собой чрезвычайно большое сопротивление (объяснения приведены в гл. 4), поэтому всякий раз, когда выход находится в устойчивом состоянии, сопротивление между источником питания и землей оказывается высоким.

3» 35

Это сопротивление заметно снижается только в один момент- когда выходной каскад переходит из одного состояния в другое. В моменты перехода запертый и открытый транзисторы меняются ролями. Когда на выходе устанавливается или высокий, или низкий уровень напряжения, между источником питания и землей оказывается включено очень большое сопротивление. Итак, в устойчивом состоянии в схеме протекает ток, величина которого измеряется всего лишь микроамперами. Значительный ток протекает только в моменты переключения,

КМОП против ТТЛ

А теперь давайте сопоставим поведение ТТЛ-приборов и приборов типа КМОП. Во-первых, сравним схемы инверторов, ТТЛ и КМОП. Для этого вновь обратимся к рис. 2.9 и рис. 2.10 соответственно.

В ТТЛ-каскаде всегда протекает довольно существенный ток. В широко распространенной ТТЛ-схеме, реализующей вентиль НЕ И, при высоком уровне напряжения на выходе протекает ток величиной 8 мА, а при низком уровне на выходе 22 мА. С другой стороны, если взять эквивалент этой схемы для КМОП-устройства, то величина тока при высоком уровне напряжения на выходе составит всего лишь 150 мкА, и при низком уровне 170 мкА. Экономия мощности является одной из причин того, что КМОП-приборы в последнее время приобрели очень большую популярность. Например, для вычислительной машины, использующей все ТТЛ-интегральные схемы, необходим ток от 10 до 150 А при напряжении 5 В по постоянному току.

Еще одно полезное свойство КМОП-кристаллов характеризуется их способностью нормально работать в широком диапазоне питающих напряжений и напряжений логических уровней. Большинство из них работает в диапазоне по крайней мере от +4,5 до+15 В, а некоторые до+18 В по постоянному току на Vcc

С другой стороны, ТТЛ-интегральные схемы работают плохо или вообще не работают при небольшом отклонении питающего напряжения от 5 В по постоянному току.

Кроме того, КМОП-приборы обладают лучшей помехоустойчивостью, так как их состояние не изменяется до тех пор, пока входной потенциал не достигнет порогового значения Усс(+)/2. Если напряжение питания равно +12 В, то прибор будет оставаться в устойчивом состоянии до тех пор, пока логический уровень не достигнет значения Усс/2, т. е. 6 В. Входное напряжение ТТЛ-схемы обязательно должно превышать 4,5 В, иначе состояние схемы не гарантируется. Помеха может послужить такой добавкой к нормальному логическому уровню, что схема окажется в неопределенном состоянии. Для того чтобы нарушить работу КМОП-схемы, помеховый сигнал должен быть гораздо больше.

Из-за чувствительности как к напряжению питания, так и к напряжению логических уровней к ТТЛ-кристаллу предъявляются жесткие требования по току, а это часто порождает проблемы, связанные со значительным падением напряжения на печатных проводниках. В момент уменьшения напряжения на выходе ТТЛ-схемы происходит резкое скачкообразное увеличение тока, что приводит к уменьшению напряжения на выводе Vcc{+). При этом, помимо того что кристаллу может не хватать питания, возникают «выбросы» или ложные импульсы, которые приводят к полной неразберихе в работе таких схем, как вентили, счетчики, триггеры.

Для того чтобы просто сгладить эту проблему, печатная плата, на которой установлено даже не очень большое число ТТЛ-приборов, должна быть щедро «усыпана» шунтирующими конденсаторами емкостью от 0,0001 до 1 мкФ. Обычно соблюдается такое соотношение; по крайней мере один конденсатор на каждые два кристалла при условии, что один из кристаллов установлен далеко от другого (под «далеко» подразумевается несколько десятков миллиметров). При шунтировании ТТЛ-интегральных схем рекомендую подбирать конденсаторы с учетом большого запаса. Для каждого вывода Fcc(+) берите конденсатор емкостью 0,001 мкФ (10 В и выше), припаивайте конденсатор непосредственно к выводу Vcc, не около него, а к нему. Кроме того, на каждую группу из нескольких ИС, расположенных вдоль одной шины питания, следует устанавливать конденсатор емкостью 0,1 мкФ. На вход источника питания, куда подается напряжение +5 В (на торцевом разъеме платы или на выводе монтажной платы), припаивают танталовый электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ. Конечно, само собой разумеется, что свободные концы конденсаторов припаивают к земле. Эти конденсаторы используются для того, чтобы они накапливали заряд в данном месте электрической цепи и и разряжались в тот момент, когда изменится состояние ближайшего ТТЛ-прибора. Кроме того, они шунтируют ложные сигналы, возникающие в шине питания печатной платы.

КМОП-приборы и статическое электричество

Основная проблема, которая возникает при работе с КМОП-приборами, состоит в том, что статическое электричество, которое накапливается на вас самих, на инструментах, на столе и на других приборах, или заряды, возникающие при подсоединении испытательного оборудования, могут легко вывести из строя КМОП-кристаллы. Хотя после включения в схему они оказываются в относительной безопасности, вне схемы уязвимость их чрезвычайно велика.

Иногда можно услышать, что проблема статического электричества в отношении КМОП-схем преувеличена, и в некотором