Базовые элементы КМОП

Базовыми элементами для различных функциональных узлов КМОП -структуры являются инвертор и двунаправ­ленный тактируемый ключ. Эти элементы состоят только из МОП - транзисторов с каналами обоих видов проводимо­сти и не содержат резисторов и конденсаторов.

Инвертор КМОП

Простой инвертор состоит из двух встречно включен­ных МОП-транзисторов с индуцированными каналами р- и n-типа. Оба затвора соединены между собой и являются общим входом (рисунок 3.13). Порядок включения транзисто­ров определяет вид рабочей логики. Поскольку транзисто­ры р-типа открываются при отрицательном напряжении смещения затвора относительно истока, а транзисторы n-типа—соответственно при положительном напряжении на затворе, для получения положительной логики исток тран­зистора с каналом n-типа подключен к минусу источника питания (общая шина), а исток с каналом р-типа — к его плюсу. Общая точка стоков обоих транзисторов служит выходом. Подложка каждого транзистора электрически соединена со своим истоком, благодаря чему р-n-переходы на границе канала и подложки оказываются смещенными в обратном направлении, обеспечивая надежную изоляцию этих областей. Все элементы схемы изготавливаются в од­ном технологическом
процессе.

Рисунок 3.13

Когда на входе инвертора действует сигнал низкого уровня U⁰_вх, можно считать, что затвор транзистора VT2 (n-типа) соединен с истоком, канал отсутствует и транзис­тор заперт. В это время затвор транзистора VT1 (р-типа) имеет по отношению к своему истоку отрицательный потен­циал и транзистор открыт. На выходе, следовательно, су­ществует напряжение высокого уровня U¹_вх. При высоком входном напряжении — наоборот. Схема, таким образом, обращает (инвертирует) входные сигналы.

Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, сквозной ток в цепи питания отсутствует и стати­ческая мощность, потребляемая от источника питания, нич­тожно мала, определяется только токами утечки. Токи уте­чек транзисторов не превышают долей микроампера при комнатной температуре, и поэтому выходные уровни U¹_вх ≈ U_п, U⁰_вх ≈ 0, и сигнал на выходе практически ра­вен U_п.

Защитная цепочка

Затвор МОП - транзистора и подложка, разделённые слоем диэлектрика, образуют конденсатор. Емкость этого конденсатора невелика, около 5 пФ, а сопротивление утеч­ки огромно, примерно 10¹² Ом, что создает благоприятные условия для накапливания статических зарядов. Слой ди­электрика под затвором имеет толщину 70—100 нм, и его электрическая прочность не превышает 150—200 В.

На теле человека и на оборудовании за счет электриза­ции могут возникать заряды статического электричества с потенциалом в несколько киловольт. Такие заряды, даже малой энергии, попав на затвор, способны вызвать необра­тимый пробой в слое диэлектрика.

Для защиты транзисторов от повреждения высоким на­пряжением каждый вход микросхем КМОП снабжают диодно-резисторной охранной цепью. Эти цепи являются не­отъемлемой частью микросхемы и изготавливаются в одном технологическом процессе. Роль диодов выполняют тран­зисторы с объединёнными затвором и стоком.

На рисунка 3.12 и 3.13 помимо собственно инвертора показа­на также схема защиты входов. Эта цепь состоит из резис­тора R сопротивлением 0,5—1,5 кОм и диодов, которые замыкают повышенные входные напряжения либо на источ­ник питания U_п, либо на общую шину.

Входной диод пред­ставляет собой резисторно - диодную структуру с распреде­ленными параметрами, которая по отношению к выводу U_n подобна двум диодам. Резистор R и входная емкость транзистора образуют RС- цепочку, создающую временную задержку (6—7 нс) для отпирания диодов.

В зависимости от значения и полярности перегрузочного напряжения диоды либо проводят в прямом направлении (U_Д.пр=0,7÷0,8В), либо оказываются в режиме лавинно­го пробоя, который наступает при обратном напряжении 30—35 В. Лавинный пробой диодов имеет обратимый ха­рактер и на работоспособности микросхем не отражается.

Защитную цепочку на принципиальных схемах обычно не изображают.

В нормальных условиях работы микросхемы, когда ам­плитуда входного напряжения не выходит за пределы -0,7 В £ Uвх £ Uп +0,7 В, отпирания входных диодов не происходит.

Если входное напряжение выходит за указанные преде­лы и внутреннее сопротивление источника напряжения ма­ло, следует также считаться с опасностью повреждения за­щитной цепочки чрезмерным входным током. Предельный допустимый ток входных диодов I_д.max=10 мА, однако для обеспечения достаточной надежности его следует ограни­чивать значением 1—2 мА. Ограничение входного тока вы­полняется добавлением внешнего резистора к нужному вхо­ду. Минимальное сопротивление этого резистора находится из условия ограничения входного тока наибольшим допус­тимым значением, а максимальное обусловливается пре­дельной постоянной времени входной цепочки , при которой еще обеспечивается требуемое быст­родействие.

Некоторые специализированные микросхемы, например 564ЛН2 и 564ПУ4, имеют схему защиты, допускающую превышение входных уровней над напряжением источника питания.

В отличие от диодов, специально вводимых в схему для защиты входов от пробоя, существование диодов на выхо­де инвертора обусловлено конструкцией транзисторов микросхемы. Эти диоды — не самостоятель­ные компоненты, а p-n-переходы, которые обеспечивают взаимную изоляцию областей с разными типами проводимости: сток р-канального транзистора изолируется от под­ложки, сток n-канального транзистора — от области р-типа и подложка — от области р-типа. Эти диоды также долж­ны быть смещены в обратном направлении, что выполняет­ся, если выходное напряжение находится в границах от — U_п до +U_п.

Охранные диоды вместе с выходными образуют выпря­мительный мост, в диагонали которого находится источник питания. Очевидно, что все диоды будут заперты и микро­схема будет нормально работать, пока напряжение между входом и выходом не перестанет удовлетворять условию. |U_вх-U_вых| < U_п+U_д.пр .

Существует еще одна причина, по которой следует опа­саться перегрузок. Как следует из физической структуры инвертора KMОП (см. рисунок 3.12), р — n-переходы на границах об­ластей образуют паразитные би­полярные транзисторы. Рисунок 3.14 поясняет это положение.

Бипо­лярный транзистор n - р - n - со­стоит из области истока МОП – транзистора n-типа, подложки р-типа и подложки n-типа. Про­исхождение р - n - р - транзистора аналогично. Оба паразитных транзистора включены так, что образуют структуру, подобную тиристору, включенному между шинами питания. Для ее активизации достаточно короткого импульса на любую ба­зу. Сравнительно низкие объемные сопротивления обеих подложек (Rn и Rp) шунтируют эмиттерные переходы, бла­годаря чему для запуска такой системы требуется доста­точно большой ток. При нормальной работе инвертора такие токи не возникают и паразитный тиристор всегда за­перт. Опасность его возбуждения, однако, следует иметь в виду.

Рисунок 3.14

В этом случае происходит замыкание шины питания и общей шины, управление по входу прекращается и в ре­зультате большой мощности, рассеиваемой на микросхеме, возможно ее повреждение. Единственный способ прекра­тить ток состоит в отключении питания.

Для предотвращения нежелательных явлений напряже­ние питания следует всегда подавать раньше любых вход­ных сигналов. Особенно это важно в тех случаях, когда сиг­налы на вход должны поступать от импульсного генерато­ра с малым выходным сопротивлением. Выключение аппаратуры следует выполнять в обратном порядке.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: