Элементная база различных логик: схемы, ттл, ттлш, кмоп. Логические уровни кмоп микросхем

Логические элементы КМОП

Эквивалентные схемы элементов, представленных выше, можно получить, используя только PMOS-транзисторы. Однако наибольший интерес представляет совместное применение PMOS и NMOS-транзисторов. Такая технология наиболее популярна сегодня и называется CMOS-технологией. Она обеспечивает максимальное быстродействие работы элементов при низком энергопотреблении по сравнению со всеми другими технологиями.

В NMOS-цепях логические функции реализовались комбинацией соединений NMOS-транзисторов, объединенных с токоограничивающим элементом.

Т.к. все элементы, построенные на NMOS-транзисторах реализуют отрицательные функции (НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ), то их можно условно представить так, как показано на блок-схеме рисунка 1.9.

Рисунок 1.9 - Структура NMOS-схемы

При этом все транзисторные цепи объединены в блок PDN (Pull-down Network) – блок отрицательной логики. Для реализации прямых логических функций необходимо соединение двух отрицательных элементов, что снижает быстродействие всего элемента в целом. Концепция CMOS-цепей основана на реализации прямых функций (И, ИЛИ) на PMOS-транзисторах таким образом, что блоки прямой логики (PUN – Pull-up Network) и блоки отрицательной логики (PDN - Pull-down Network) являются дополнениями друг друга. Тогда логическая схема, реализующая типичный логический элемент, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Структура CMOS-схемы

Для любой комбинации входных сигналов PDN устанавливает уровень логического нуля на выходе V f , или PUN устанавливает на этом выходе уровень логической единицы. PDN и PUN имеют равное количество транзисторов, которые размещены так, что эти два блока работают параллельно. Там, где PDN включает NMOS-транзисторы, соединенные последовательно, PUN строится на PMOS-транзисторах, соединенных параллельно, и наоборот.

Самый простой пример CMOS-схемы - инвертор, показан на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Реализация CMOS-инвертора

Когда сигнал V x =0V, транзистор T2 закрыт, а транзистор T1 открыт. Следовательно, V f =5V, и так как T2 закрыт, ток через транзисторы не течет. Когда V x =5V, то T2 открыт, а T1 закрыт. Таким образом, V f =0V, и тока в цепи по прежнему не будет, т.к. транзистор T1 закрыт. Это свойство справедливо для всех CMOS-цепей – логические элементы практически не потребляют ток в статическом режиме. Ток в таких цепях будет протекать только во время переключения элементов (вот почему, с ростом частоты работы устройств, построенных по этой технологии, возрастает и энергопотребление). Вследствие этого, CMOS-схемы стали наиболее популярной технологией при реализации цифровых логических устройств.

Рисунок 1.12 представляет принципиальную электрическую схему логического элемента И-НЕ CMOS. Реализация этого элемента подобна NMOS-схеме, представленной на рисунке 1.5 за исключением того, что токоограничивающий резистор был заменен блоком PUN, состоящим из двух PMOS-транзисторов, соединенных параллельно. Таблица истинности на рисунке показывает состояние каждого из этих четырех транзисторов для каждой логической комбинации вводов x 1 и x 2 . Легко проверить, что данная схема реализует логическую функцию И-НЕ. В статическом состоянии отсутствует путь для протекания тока от V DD к Gnd.

Рисунок 1.12 - CMOS-реализация логического элемента И-НЕ

Схема на рисунке 1.12 может быть получена исходя из логического выражения, которое определяет логическую функцию И-НЕ, . Это выражение определяет состояния, при которых f = 1; следовательно, оно определяет поведение блока PUN. Так как этот блок состоит из PMOS-транзисторов, которые открываются при подаче на их входы логического нуля, входная переменная x i открывает транзистор, если x i =0. По правилу де Моргана мы имеем:

Таким образом f = 1 , когда либо вход x 1 , либо вход x 2 имеют значение логического нуля, что означает что PUN должен иметь два PMOS-транзистора, соединенных параллельно. Блок PDN должен дополнять функцию f, которая имеет вид:

f = x 1 x 2

Функция f = 1 , когда оба входа x 1 и x 2 равны 1, поэтому блок PDN должен иметь два NMOS-транзистора, соединенных последовательно.

Схема для CMOS-реализации элемента ИЛИ-НЕ может быть получена из логического выражения.

Подавляющее большинство современных логических микросхем , в том числе, процессоров , используют схемотехнику КМОП.

История

Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам . Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий . Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний .

Технология

Схема 2И-НЕ

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

• Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
• Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства

Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства

• На КМОП-транзисторах (CMOS):
  • 164, 176, 561 и 564 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 питание только 9В;
  • 1554 - серии 74AC;
  • 1561 - серии 4000B;
  • 1564 - серии 74HC;
  • 1594 - серии 74ACT;
  • 5564 - серии 74HCT;

Лекция. Изготовление процессоров

Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов , соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы микпроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора).

Как делают микросхемы

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник - это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная .

Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная - к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы - основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом - при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время - 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток . Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится.

Рис. 1. Принцип работы КМОП-транзистора

Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток - говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов.

Вот изображение поперечного сечения процессора:

Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.

Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).

Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого - получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

Шаг 4. Литография

Шаг 5. Травление

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Шаг 7. Напыление и осаждение

Шаг 8. Заключительный этап

Перспективные технологии

Сокращение КМОП означает «комплементарный МОП-транзистор». Также иногда используется сокращение COSMOS, которое обозначает «комплементарная симметричная МОП-структура». Логические элементы этого подсемейства строятся как на «-канальных МОП-полевых транзисторах, так и на /^-канальных МОП-полевых транзисторах. Схемы этого подсемейства характеризуются ярко выраженной симметрией. При разработке схем применяют только самозапирающиеся МОП-транзисторы (см. Бойт, Электроника, ч. 2, разд. 8.2, МОП-полевые транзисторы).
Симметричность схем видна особенно хорошо в схеме элемента НЕ (рис. 6.91). Если на входе А действует Я-уровень, например +5 В, то транзистор Т2 отпирается. На его истоке и подложке 0 В. Напряжение затвор-исток UGS составляет +5 В. К истоку и подложке транзистора Тх приложены +5 В.

Если к управляющему электроду также прикладываются +5 В, то напряжение затвор-исток UGS = О В. Транзистор Тх заперт. Если Тх заперт, а Т2 открыт, то выход элемента Z имеет уровень L (рис. 6.92).
Если на входе А действует i-уровень О В, то транзистор Т2 запирается и напряжение затвор-исток UGS составляет О В. Напряжение затвор-исток транзистора Ту UGS = —5 В, так как напряжение истока +5 В, а затвора О В. Транзистор отпирается. Если Тх открыт, а Т2 заперт, выход элемента Z имеет уровень Н.
В КМОП-НЕ-элементе всегда один транзистор открыт, а другой заперт.
Если на выходе элемента НЕ действует уровень 0, то элемент практически не потребляет ток, так как Тх заперт. Если на выходе элемента НЕ действует уровень Н, то элемент также практически не потребляет ток, так как теперь Т2 заперт. Для управления последовательно включенными элементами также не требуется ток, так как полевые транзисторы практически не потребляют мощность. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой — из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны перезарядиться транзисторные емкости.
Все КМОП-элементы устроены так, что в токовой ветви один транзистор закрыт, а другой открыт. Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко. Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты переключения.
КМОП-элементы отличаются малым энергопотреблением.
На рис. 6.93 изображена следующая типичная КМОП-схема. Если на обоих входах действует уровень L, то транзисторы 7’ и Т2 будут открыты, транзисторы Тг и Т4 заперты. Ту и Т2 при О В на А и В имеют UGS = — 5 В, а Т3 и Т4 имеют UGS = О В. На выходе Z действует уровень Н.
Если на входе А действует уровень Н(+5 В), а на входе 5-уровень L (О В), то Ту закрывается, а Т2 открывается. Путь от источника питания к выходу Z блокирован запертым транзистором.

Одновременно отпирается транзистор Т3 и на выходе Z действует примерно О В, то есть уровень L. Г4 заперт. Z всегда имеет уровень Z, если по крайней мере на одном входе действует уровень Н. Соответствующая схеме (рис. 6.93) рабочая таблица представлена на рис. 6.94. Схема производит при положительной логике операцию ИЛИ-НЕ.
Какую логическую операцию производит схема на рис. 6.95? Прежде всего для схемы должна быть составлена рабочая таблица. Если на обоих входах действуют Z-уровни (О В), то транзисторы Т{ и Т2 открываются (UGS = — 5 В). Транзисторы Т3 и Г4 закрываются (UGS = О В). На выходе Л-уровень.
Если на обоих входах действуют #-уровни (+5 В), то транзисторы Тъ и Т4 открываются, а транзисторы Тх и Т2 закрываются. На выходе Z будет действовать Z-уровень.
Если на один вход приложен Я-уровень, а на другой — Z-уровень, то один из верхних транзисторов на рис. 6.95 (7^ или Т2) открывается. Один из нижних (Т3 или Г4) запирается. Через открытые транзисторы к выходу будет прикладываться if-уровень. На рис. 6.96 представлена соответствующая таблица истинности. Схема выполняет при положительной логике функцию И-НЕ.

КМОП-элементы производятся в основном в виде элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Особым элементом подсемейства КМОП является передаточный элемент. Он состоит из параллельного включенных и-канального МОП-транзистора и ^-канального МОП-транзистора (рис. 6.97).
Передаточный элемент работает как переключатель.
Если к Gx будет приложен уровень Н (например +5 В) и к G2 — уровень L (О В), то оба транзистора запираются. В /ьканальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Образование проводящего канала между истоком и стоком становится невозможным. Также и в я-канальном МОП-транзисторе между управляющим электродом и подложкой приложено напряжение О В. Здесь также не может возникнуть проводящий канал. Сопротивление между точками А и Zдостигает нескольких сотен МОм.
Если на <7, действует уровень L (О В), а на G2 — уровень Н (+5 В), то напряжение затвора /^-канального МОП-транзистора относительно подложки будет —5 В. Напряжение затвора и-канального МОП-транзистора относительно подложки +5 В. При этих напряжениях образуются проводящие каналы между истоком и стоком. Канал между А и Z будет низкоомным (примерно от 200 Ом до 400 Ом). Рабочая таблица представлена на рис. 6.98.
Уровни на входах Gl и G2 всегда прикладываются в противофазе. Управление может происходить с помощью элемента НЕ (рис. 6.99). Получается двунаправленный ключ. У полевых транзисторов передаточного элемента исток и сток могут взаимно менять свои функции. Поэтому вывод затвора обозначается в середине его условной линии (рис. 6.99).
Интегрированные КМОП-микросхемы всегда содержат множество логических элементов, которые могут быть использованы по отдельности или как единая сложная логическая функция. На рис. 6.100 показана структура схемы CD 4000 А. Эта схема содержит два элемента ИЛИ-HE с тремя входами каждый и элемент НЕ. Схема CD 4012 А (рис. 6.101) содержит два элемента И-НЕ с четырьмя входами каждый.
Интегральные схемы арифметических логических устройств содержат очень много КМОП-элементов. На рис. 6.102 приведена схема 4-битного сдвигающего регистра. Эта схема рассмотрена подробно в гл. 8.

Рис. 6.102. Схема КМОП-4-битного сдвигового регистра CD 4015 A (RCA)

Микросхема CD 4008 А является 4-битным полным сумматором. Полные сумматоры рассматриваются подробно в гл. 10. Схема приведена здесь как пример КМОП-схемотехники (рис. 6.103).
Интегральные микросхемы в КМОП-исполнении могут производиться с очень большой плотностью элементов,
Можно схему целого калькулятора уместить в одной микросхеме. Дальнейшее совершенствование технологий ведет к повышению возможной плотности компоновки.
Напряжение питания КМОП-элементов может колебаться в широком диапазоне.
Для серии CD-4000-A (рис. 6.100—6.103) фирма-производитель RCA указывает диапазон напряжений питания от 3 В до 15 В. Типичные передаточные характеристики при ряде напряжений питания показаны на рис. 6.104.
Часто используются напряжения питания +5 В и +10 В. Для этих напряжений питания на рис. 6.105 и 6.106 показаны диаграммы уровней. Для больших напряжений питания характерна лучшая помехоустойчивость.
Разность между уровнями L и Н, отвечающая за помехоустойчивость, для КМОП-схем составляет примерно от 30% до 40% напряжения питания.
В следующей таблице приведены важнейшие параметры КМОП-эле-ментов:

Рис. 6.103. Схема КМОП-4-битного полного сумматора CD 4008 A (RCA)

Комплементарная МОП логика (КМОП - КМДП -CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) сегодня является основной в производстве больших интегральных схем микропроцессорных комплектов, микроконтроллеров, СБИС персональных компьютеров, ИС памяти. Кроме ИС высокой интеграции для создания электронного обрамления БИС и несложных электронных схем выпущено несколько поколений КМОП серий малой и средней интеграции. В основе лежит рассмотренный ранее инвертор (рис 2.9) на комплементарных (взаимодополняющих) МОП транзисторах с индуцированным каналом разной проводимости p и n типа, выполненных на общей подложке (входные охранные цепочки не показаны).

Рис 3.8. Двухвходовые КМОП логические элементы а) И-НЕ, б) ИЛИ-НЕ

Как и в случае простого инвертора, особенностью ЛЭ является наличие двух ярусов транзисторов относительно выходного вывода. Логическая функция, выполняемая всей схемой, определяется транзисторами нижнего яруса. Для реализации И-НЕ в положительной логике транзисторы с n-каналом включаются последовательно друг с другом, с p-каналом – параллельно, а для реализации ИЛИ-НЕ – наоборот (Рис 3.8).

Микросхемы КМОП-структуры близки к идеальным ключам: в статическом режиме они практически не потребляют мощности, имеют большое входное и малое входное сопротивления, высокую помехозащищенность, большую нагрузочную способность, хорошую температурную стабильность, устойчиво работают в широком диапазоне питающих напряжений (от +3 до +15 В). Выходной сигнал практически равен напряжению источника питания. При Еп=+5В обеспечивается совместимость логических уровней со стандартной ТТЛ/ТТЛШ-логикой. Пороговое напряжение при любом напряжении питания равно половине напряжения питания U пор = 0,5 Еп, что обеспечивает высокую помехоустойчивость.

Логические элементы с большим числом входов организованы подобным же образом. В номенклатуре микросхем КМОП есть ЛЭ И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, с количеством входов до 8. Увеличить число входных переменных можно с помощью дополнительных логических элементов, принадлежащих к той же серии ИС.

Отечественная промышленность выпускает несколько универсальных КМОП серий: К164, К176, К561, К564, К1561, К1564.

К176 – стандартная КМОП t з =200 нс, I пот £100 мкА

К564, К561, К1561 – усовершенствованная КМОП t з =15 нс (15 В), I пот =1-100 мкА

К1564 – высокоскоростная КМОП (функциональный аналог серии 54HC) t з =9-15 нс, Uпит=2-6 В, I пот £10 мкА

Основные технические характеристики ИС серии К564 (К561) приведены ниже:

Напряжение питания U п, В …………………………..3-15

Мощность потребления

В статическом режиме, мкВт/корпус …………0,1

При f=1 МГц, U п =10 В, С н =50 пф, мвт ……….20

Допустимая мощность рассеивания. Мвт/корпус …..500

Входное напряжение, В ……………….от -0,5В до U п + 0,5В

Выходное напряжение, В

Низкого уровня ………………………… не более 0,05В,

Высокого уровня …………………не менее U п + 0,5В

Средняя задержка распространения сигнала при С н =15 нф

Для U п =+5 В, нс ………………………………50

Для U п =+10 В, нс ……………………………..20,

Рабочая температура, 0 С

Серия 564 ………………………..от -60 до +125

Серия К561 ……………………….от -40 до +85

Если развитие ТТЛ-серий, главным образом, шло в сторону уменьшения энергопотребления, то КМОП-серии развивались в направлении повышения быстродействия. В конце концов, победила КМОП-технология. Последующие поколения стандартной логики выпускаются уже только по ней. Таким образом, второе поколение микросхем стандартной логики выпускается по КМОП-технологии, но сохраняет полное функциональное соответствие с ТТЛ-сериями.