Микросхемы КМОП 561 серии

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального 

Образования

«Ижевский Государственный Технический  Университет»

Кафедра «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по курсу «Интегральные устройства»

Тема: «Микросхемы КМОП 561 серии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Выполнил студент

группы 6-75-1

Князев А.В.

 

Проверил 

преподаватель

Пепякин Ю.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ижевск 2011

 

 

 

 

Содержание.

 

1. Логический элемент  КМОП……………………………………………….3

2. Микросхема ……………………………………………………………….7

3. Микросхема  ………………………………………...............................8

4. Генераторы  прямоугольных импульсов………………………………...10

5. Литература…………………………………………………………………11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ  КМОП

 

Сокращение  КМОП—начальные буквы четырех слоя из полного определения: комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник. Слово комплементарный переводится как взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но с полуроводниковыми структурами, взаимно отображенными как бы в виде негатива и позитива.

 

 

Логический  элемент состоит из р-канального и л-канального транзисторов, которые образуют инвертор. Исток и подложка p-канального МОП транзистора подключены к положительному полюсу источника питания U_и.п., стоковая нагрузка R_с— к отрицательному. Затвор, изолированный от канала высококачественным диэлектриком SiO₂ — это одна обкладка конденсатора, а поверхность полупроводниковой подложки - вторая. Если затвор заземляем (даем с помощью S1 низкий логический уровень H), поверхность кристалла заполняется + зарядами. Две технологические области р⁺ перемыкаются. Это области истока и стока, где содержание дырок—повышенное. Создается поверхностный канал проводимости, течет ток стока Iс и появляется высокий уровень выходного напряжения U_вых. Переключив S1, присоединим затвор к + U_и.п. Конденсатор «затвор-подложка» не будет заряжен, канал проводимости не замкнут, на выходе потенциал нулевой. Этот каскад – p-канальный МОП-инвертор.

 

 

 

Меняя напряжение затвор-исток плавно, снимаем передаточную характеристику этого инвертора. Выходной уровень «еденицы» меньше U_пит. Ввиду значительного сопротивления канала (R_к=1кОм…10кОм).

 

Исток и подложку n-канального МОП-транзистора надо заземлить. Если затвор заземлить (даем от S1 низкий логический уровень H), конденсатор «затвор-подложка» не будет заряжен, канал не наводится, ток стока не течет и на выходном проводе потенциал U_вых = U_пит.

 

 

 

 

 

Даем на затвор высокий уровень В, конденсатор  «затвор-подложка» заряжен, поверхность  подложки обогащена электронами, течет  ток стока. Выходное напряжение низкое, но U⁰_вых несколько больше нулевого потенциала. Присоединив затвор к движку резистора, снимаем передаточную характеристику, где отмечаем пороговое напряжение образования n-канала.

Включим n- и p- канальный транзисторы «столбиком», затворы их объединим. Получаем логический элемент (ЛЭ) КМОП. Нагрузочный резистор R_c не нужен. Подключив затворы к движку потенциометра, снимаем передаточную характеристику схемы при очень большом сопротивлении нагрузки. Характеристика имеет два излома в точках пороговых потенциалов p- и n-транзисторов и наклонную часть усилительного режима, когда оба транзистора открыты.

 

Заменив потенциометр переключателем S1, можем испытать DD1 как инвертор. Даем на затворы уровень В, канал p-транзистора VT1 разомкнут, а n-канал VT2 обогащен. На выходе инвертора-логический уровень низкий.

 

Даем на затворы  уровень Н, замыкается p-канал VT1 и через этот контакт в выходной провод проходит высокий логический уровень. Хотя оба электронных контакта на землю и на плюс неидеальны, внутреннюю эквивалентную схему ЛЭ можно заменить двух полюсным тумблером S2. Учтем, что входное сопротивление нагрузочных полевых ЛЭ имеет порядок 10¹⁰ Ом и более.

 

Простейшую  структуру, позволяющую совместить p- и n-канальные транзисторы, размещают на n-подложке, на поверхности которой исток и сток p-канального транзистора выполняют непосредственно.

Для n-канального транзистора устраивается p-карман. Знаки + означают повышенную степень легирования, вблизи поверхности кармана выполняется исток и сток n-канального транзистора. Подложку данной структуры следует присоединить к +U_и.п. , а «карман» - к –U_и.п. , т.е. к «земле».

 

 

 

 

Схема инвертора создается металлизацией поверхности (в более новых разработках алюминиевая пленка заменяется поликремниевой – это хороший проводник, однако не имеющий полупроводниковых свойств монокристаллического кремния).

К затворам присоединен защитный стабилитрон  VD1. Во-первых, он защищает затворы от пробоя их диэлектрика избыточными входными потенциалами, во-вторых создает ток утечки зарядов, накапливающихся в статическом состоянии в конденсаторах «затвор-канал» С_з.к.. Если заряды q генерируют вблизи поверхности подложки постоянно (термо-, электрогенерация), то потенциал U_з.и. = q/C_з.и. быстро увеличится до напряжения пробоя тонкого одномикронного SiO₂. Обратное сопротивление диода VD1 создает достаточный шунтовой путь утечки этого канала. Полную защиту инвертора обеспечивают шесть диодов и резистор R=200…2000 Ом, ограничивающий пиковый уровень тока заряда конденсатора C_з.и. =5…15пФ. Этот резистор защищает выход предыдущего инвертора от перегрузки, ток которой может быть опасным, если число нагружающих входов-инверторов очень велико (десятки).

Диоды VD1..3 защищают затворы от пробоя как по изоляции, так и на «карман». Пробивное напряжение VD1 – 25В, а VD2 и VD3 – 50В. Диоды VD4 и VD5 защищают канал при ошибочной перемене полярности напряжения питания микросхемы. В общем, инвертор КМОП в микросхемах общего применения защищен то статических пробоев не хуже инвертора ТТЛ.

Для инверторов КМОП напряжения низкого  уровня практически равно 0, а высокого – напряжению питания.  

 

Инвертор КМОП (если R_н очень велико) в статических состояниях ток не потребляет, поскольку разомкнут либо транзистор VT1, либо VT2, поэтому сквозного тока нет. В этом замечательное свойство микросхем КМОП: они не потребляют ток питания, если входные сигналы не изменяются. Чем больше частота сигнала, тем больше ток, потребляемый инвертором КМОП. Динамический импульс тока потребления складывается из двух частей: во-первых, сквозной ток через VT1 и VT2, когда один из них «полузакрыт», а другой «полуоткрыт»; во-вторых, ток заряда паразитных емкостей.

Первые микросхемы КМОП были низковольтными. Это отечественная серия К176 и  аналогичная зарубежная СD4000А. Напряжение питания для микросхем этих серий было равно 9 В. Последующая эволюция технологии КМОП позволила повысить предел напряжения до 15 В. Вместе с тем нижний предел питания 3В для микросхем.

 

МИКРОСХЕМА 

Двухвходовой канал  из микросхемы К561ЛА7 содержит четыре разноканальных ПТ: VT1 и VT2 – n-, а VT3, VT4 – p-канальные. На эквивалентной ключевой схеме выходы А и В получают четыре возможных логических сигнала от переключателей S1 и S2.

Если последовательно перебрать  все комбинации напряжений высоких  и низких уровней, поступающих на входы А и В от S1 и S2, и рассмотреть уровни на выходе Q, получим таблицу состояния инвертора . Когда от S1 и S2 на входы А и В поданы напряжения высокого уровня В, n-каналы транзисторов VT1 и VT2 будут замкнуты, а каналы VT3 и VT4 разомкнутым и на выходе Q появляется напряжение высокого уровня. В результате вертикальная колонка данных на выходе соответствует . Если на входы А и В подать два положительных импульса, сигнал на выходе Q будет соответствовать площади их совпадения (но с инверсией!)

 

МИКРОСХЕМА 

 

Устройство базового элемента   (это один канал микросхемы К561ЛЕ5), как бы обратное по сравнению с элементом : здесь параллельно соединены n-канальные и последовательно p-канальные транзисторы.

На эквивалентной схеме транзисторы  заменены ключами. Только совпадение низких входных уровней на входах А и  В даст высокий уровень на выходе Q, так как в этот момент замыкаются оба верхних p-канальных транзистора VT1 и VT2. Присутствие хотя бы одного высокого уровня В на входах А, В означает замыкание одного из параллельных n-канальных транзисторов VT3 и VT.

 

 

 

 

 

 

ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ  ИМПУЛЬСОВ НА МИКРОСХЕМАХ КМОП

 

Ниже приведены электрические  схемы  применения логических элементов  микросхем 561 серии для генераторов прямоугольных импульсов.

Рис. 1 – Генераторы прямоугольных  импульсов на логических элементах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Шило, Популярные микросхемы КМОП, Справочник, Серии К176 К561 К564 К1561 К1564 МОСКВА 1993

2. Радио 2000 №1, Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП, с.44