Характеристики различных серий КМОП

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Развитие КМОП было, естественно, направлено в сторону устранения или хотя бы сглаживания этих недостатков. Оригинальная серия КМОП 4000 бы­ла не очень удачна — именно к ней относится значение задержек в 200 не и более, напряжение питания для нее составляло от 5 до 15 В, нагрузочная спо­собность выхода— не более 0,6 мА. Причем советские аналоги (серии К176 и 164) были еще хуже, так как требовали питания около 9 В (мне так и не удалось нигде узнать, с какими допусками). Для стыковки с ТТЛ таких мик­росхем пришлось придумывать специальные «преобразователи уровня», ко­торые тянули большой вытекающий ток по входу ТТЛ-элементов и «умели» подгонять уровни при различном напряжении питания.

А вот серия 4000А (отечественные К561 в корпусе DIP и «военная» 564 в планарном корпусе SOIC или похожем на него SOP) и особенно 4000В (час­тично К561 и вся К1561 ^) применяются и по сей день — в основном из-за не­прихотливости и беспрецедентно широкого диапазона питающих напряже­ний — от 3 до 18 В, что позволяет без излишних проблем совмещать цифро­вые и аналоговые узлы в одной схеме. Задержки для этих серий составляют порядка 90—100 не (60 не для 4000В), предельная рабочая частота — до 10— 15 МГц, а выходные токи без ущерба для логического уровня— до 1,6— 9 мА (большее значение при большем напряжении питания). Отметим, что эти характеристики достигаются при достаточно высоком напряжении пита­ния, при обычных для современной электроники напряжениях 3—5 В быст­родействие существенно снижается: при 5 В рабочая частота уже не превы­шает 3—5 МГц.

В настоящее время доступны быстродействующие серии КМОП с крайне не­удачным общим названием 74, совпадающим с ТТЛ (серия 54 — то же самое, но для военно-космических применений). Чтобы не запутаться, имейте в ви­ду, что, если в наименовании серии присутствует буква С, то это КМОП, а все остальные (менее многочисленные) представители семейства 74 есть ТТЛ-микросхемы. Самые популярные разновидности — серия 74НСхх (оте­чественный аналог— 1564 или КР1564) и 74АСхх (1554). Номер серии, обо­значения и разводка выводов элементов, совпадающие с номером для ТТЛ, были, вероятно, первоначально выбраны из маркетинговых соображений, чтобы подчеркнуть быстродействие и совместимость с ТТЛ, однако по дру­гим параметрам это совсем не ТТЛ. Серии 74НС и 74АС совмещают в себе многие удобства КМОП (симметричность уровней, отсутствие потребления в статическом режиме) и быстродействие ТТЛ, достигающее десятков мега­герц (у 74АС даже до сотни). Пожертвовать, как мы говорили, пришлось расширенным диапазоном питания: номинальное напряжение питания для всех КМОП из 74-й серии — 5 В, максимально допустимое — 7 В, поэтому серию 4000В они заменяют не полностью. Правда, нижний предел питания для почти всех микросхем 74АС и всех 74НС даже ниже, чем для 4000-й се­рии — 2 В.

В этой книге мы будем ориентироваться на наиболее популярные у нас и по сей день микросхемы 561-й серии, но учтите, что при напряжениях питания 5—6 В и менее их можно почти без ограничений заменять микросхемами се­рии 74НС или отечественными 1564. В некоторых случаях применение таких микросхем даже предпочтительнее, так как они формируют более крутые фронты сигналов. «Почти» по отношению к взаимозаменяемости относится к потреблению схем: в покое все КМОП-элементы не потребляют тока, но с ростом частоты потребление более быстродействующих растет бьютрее. На рис. 15.2 показаны эмпирические графики потребления двух разновидностей КМОП-микросхем в расчете на один логический элемент в зависимости от частоты. Видно, что для «классической» 561-й серии потребление растет строго линейно с крутизной примерно 25 мкА на каждые 300 кГц увеличения частоты. Для элемента 74НС оно сначала быстро растет, затем темпы при­роста снижаются, но в любом случае ток потребления остается как минимум вдвое больше, чем у «классического» элемента.

Заметки на полях

Как видите, в абсолютном выражении потребление всех КМОП-элементов дос­таточно мало, и на частотах в десятки килогерц составляет единицы микроам­пер. Однако это потребление резко возрастает при увеличении напряжения питания: так, потребление схемы лабораторного генератора по рис. 16.14 со­ставляет не более 150—200 мкА при 5 В, но при 15 В оно уже будет состав­лять порядка 1,5 мА. Отсюда общее правило для КМОП-микросхем: с точки зрения снижения потребления снижение напряжения питания даст больший эффект, чем снижение рабочей частоты.

Серия 74АС еще мощнее, чем 74НС, и более быстродействующая (задержки порядка 5—7 нс против 10—20 нс у 74НС) и, соответственно, при той же частоте потребляет еще больше. Выходные максимально допустимые токи серии 74НС могут достигать 25 мА, а серии 74АС — аж 50 мА. Но в долго­срочном режиме такие токи гонять через выводы не рекомендуется: нор­мальный ток для выхода 74АС без нарушения логических уровней составляет 24 мА, а для 74НС — 4—8 мА, причем напомним, что через вывод питания суммарный ток не должен превыщать величины порядка 50 мА.

У разных производителей могут быть разные приставки (префиксы) к основ­ному названию серии, как 4000В, так и серий 74 — так, у Fairchild Semicon­ductor микросхема будет называться CD4001B, у Texas Instruments — SN4001B, у Motorola— MCI400IB (более подробно об этом рассказано в приложении 5). Самое же противное в применении этих микросхем — разно­бой в разводке выводов для одних и тех же элементов из разных серий (в этом их отличие от ОУ, которые в большинстве имеют одинаковую разводку, хотя тоже не всегда). Правда, для выводов питания разработчики старались по мере возможности придерживаться единого принципа (это же касается и многих аналоговых микросхем): «земля» присоединяется к последнему вы­воду в первом ряду, а питание — к последнему во втором, то есть к выводу с наибольшим номером для данного корпуса (скажем, для корпуса с 14 выво­дами это будут, соответственно, 7 и 14, для корпуса с 16-ю выводами— 8 и 16 и т. д.). Это правило действует далеко не всегда, но для многих стандарт­ных микросхем малой степени интеграции (включая и некоторые аналого­вые) питание разведено именно так.

clip_image002

Рис. 15.2. Потребление КМОП-микросхем в расчете на один логический элемент в зависимости от частоты (напряжение питания 5 В)

Как мы уже говорили, наименования одинаковых по функциональности эле­ментов для КМОП разных серий и ТТЛ различаются. Причем функциональ­ные наименования у серий 1564 и 1554 соответствуют ТТЛ (если аналоги в «классических» сериях существуют), а не КМОП. Микросхема, содержащая в одном корпусе четыре элемента «И-НЕ», подобных показанным на рис. 15.1, в отечественном варианте КМОП носит имя 561ЛА7, ТТЛ носит название 155ЛАЗ, в западном варианте это 4011 в «классической» серии и 74хх00 в быстродействующих версиях как КМОП, так и ТТЛ. Подробнее функцио­нальные наименования описаны в приложении 5.

clip_image004

Рис. 15.3. Обозначения основных логических элементов на схемах: вверху — отечественное; внизу — западное

На рис. 15.3 показаны условные обозначения основных логических элемен­тов на электрических схемах, причем нельзя не согласиться, что отечествен­ные обозначения намного логичнее, легче запоминаются и проще выполня­ются графически, чем западные, поэтому западные обозначения логических элементов у нас так и не прижились (как, кстати, и многие другие, например, обозначения резисторов и электролитических конденсаторов). Крайний спра­ва элемент под наименованием «Исключающее ИЛИ» нам еще неизвестен, но скоро мы его будем изучать.

В табл. 15.1 приведена разводка выводов микросхем, содержащих наиболее употребляемые одно- и двухвходовые логические элементы (для импортных указана маркировка фирмы Fairchild, но напомним, что у других изготовите­лей она отличается только префиксом). Как вы можете убедиться, в «класси­ческой» серии для всех двухвходовых логических микросхем она одинакова (в том числе и для элементов «Исключающее ИЛИ» CD4030/4070, которые мы еще не проходили), а вот другие серии с универсализацией подкачали. Для ТТЛ всех разновидностей (в том числе и отечественных) разводка совпа­дает с 74АС/НС, чем подчеркивается, что они взаимозаменяемы. Естествен­но, все элементы в одном корпусе абсолютно идентичны и взаимозаменяемы, поэтому для таких микросхем, если даже и номера выводов корпуса на прин­ципиальной схеме указаны, элементы можно заменять друг на друга в про­цессе изготовления платы. Нередко на схеме не указывают и расположение выводов питания.

Таблица 15.1. Разводка выводов КМОП-микросхем с одно- и двухвходовыми логическими элементами

Тип

Функция

Выводы

CD4011. 561ЛА7 (DIP-14), 564ЛА7 (S0P-14)

4 двух­входовых элемента «И-НЕ»

1

2

3

4

5

6

7

Вх1А

Вх1В

Вых 1

Вых 2

Вх 2В

Вх2А

Общ

8

9

10

11

12

13

14

ВхЗА

ВхЗВ

ВыхЗ

Вых 4

Вх4А

Вх4В

+ (/пит

CD4001,

561ЛЕ5

(DIP-14).

564ЛЕ5

(S0P-14)

4 двух­входовых элемента «ИЛИ-НЕ»

1

2

3

4

5

6

7

Вх1А

Вх1В

Вых1

Вых 2

Вх2В

Вх2А

Общ

8

9

10

11

12

13

14

ВхЗА

Вх ЗВ

ВыхЗ

Вых 4

Вх4А

Вх4В

+ Упит

74НС00, 74АС00 (во всех корпусах)

4 двух­входовых элемента «И-НЕ»

1

2

3

4

5

б

7

Вх1А

Вх1В

Вых1

Вх2А

Вх2В

Вых 2

Общ

8

9

10

11

12

13

14

ВыхЗ

ВхЗВ

ВхЗА

Вых 4

Вх4В

Вх4А

+ Спит

74НС02. 74АС02 (во всех корпусах)

4 двух­входовых элемента «ИЛИ-НЕ»

1

2

3

4

5

6

7

Вых 1

Вх1В

Вх1А

Вых 2

Вх2В

Вх2А

Общ

8

9

10

11

12

13

14

ВхЗА

ВхЗВ

ВыхЗ

Вх4А

Вх4В

Вы^4

561Л Н2. (DIP-14)

564ЛН2 (S0P-14)

бодно-входовых элементов «НЕ»

1

2

3

4

5

6

7

Вх1

Вых 1

Вх2

Вых 2

ВхЗ-

ВыхЗ

Общ

8

9

10

11

12

13

14

Вых 4

Вх4

В

ых5

Вх5

Вых 6

Вхб

CD4049.

CD4050,

561ПУ4,

564ПУ4.

74НС4049.

74НС4050

бодно-

входовых

элементов

«НЕ»

(4049),

6 буферов

(остальн.)

1

2

3

4

5

6

7

8

+ Упит

Вых1

1

}х1

Вых 2

Вх2

ВыхЗ

ВхЗ

Общ

9

10

11

12

13

14

15

16

Вх4

Вых 4

Вх5

Вых 5

NC

Вхб

Вых 6

NC

Как видно из табл. 15.1, заимствованная у «классической» ТТЛ разводка для микросхем 74НС00 и 74АС00 удобнее других — при каскадном соединении двух элементов достаточно соединить идущие подряд выводы 3 и 4 (или 3, 4 и 5, если входы объединяются), и аналогично с другой половиной микросхе­мы. Другие типы исторически получили не столь удобную разводку.

Специальные буферные элементы с мощным выходом применяют для того, чтобы усилить выходы КМОП: с инверсией— 561ЛН2 или без нее — 561ПУ4. Они содержат шесть таких инверторов или буферов в одном корпу­се. Отметим, что точного импортного аналога микросхемы 561ЛН2 не суще­ствует, при копировании наши разработчики улучшили микросхему CD4049, избавившись от лишних контактов корпуса. Правда, они не пошли до конца и не сделали то же самое для микросхемы 561ПУ4, содержащей 6 буферных усилителей без инверсии. В результате у 561ПУ4, у ее аналога CD4050, как и у CD4049, плюс питания присоединяется нестандартно — к выводу 1, а вы­воды 13 и 16— не задействованы (и, напомним, не должны никуда присое­диняться, что обозначено буковками NC — No Connected).

Заметки на полях

Объяснение этой кажущейся несуразице с лишними выводами одновходовых элементов простое — в первой серии 4000 (К176) существовали преобразова­тели уровня для перехода от 9-вольтовой КМОП-логики к 5-вольтовой ТТЛ (от­куда и отечественное название ПУ). В этих преобразователях на вывод 16 по­давалось еще одно напряжение питания 9 В. В сериях 4000А и 4000В необходимость в дополнительном питании отпала (они и сами чудесно рабо­тают при питании 5 В), а разводка выводов осталась.

Следует отметить, что по внутреннему устройству микросхемы с одновхо-довыми элементами, вероятно, самые простые из всех микросхем вообще. Элемент с инверсией (ЛН2, 4049) состоит всего из двух транзисторов (см. рис. 15.1 справа), а буферный элемент (ПУ4, 4050)— из двух таких инверторов, включенных последовательно. Однако у них есть один эксплутационный нюанс, который также унаследован от времен, когда такие микросхемы служили для перехода от КМОП к ТТЛ. Он заключается в том, что нижний транзистор выходного каскада мощнее верхнего. В результате в состоянии логического нуля по выходу эти микросхемы могут принять большой втекающий ток без ущерба для логических уровней — 3—5 мА при питании 5 В, и до 40 мА при 15 В. А вот в состоянии логической единицы значения выходного тока у них стандартные для «классической» КМОП — 1,6 мА при 5 В и до 12 мА при 15 В питания. При практическом применении ЛН2 и ПУ4 эту несимметрию нужно учитывать.

В отличие от «классических», быстродействующие аналоги 74НС4049/ 74НС4050 (в АС-версии их не существует, там есть аналоги только с открытым истоком, см. пршожение 5) полностью симметричны, допускают долговременный как втекающий, так и вытекающий выходной ток через каждый вывод до 25 мА (но не более 50 мА в сумме по всем выводам) и предпочтительны для использования при напряжениях питания 3—5 В.

Выходы обычных логических элементов можно объединять с целью умощ-нения, например, выход одного инвертора в составе микросхемы ЛН2 фор­мально «тянет» ток до 3,2 мА при 5 В питания (на самом деле гораздо боль­ше, если выйти за пределы ограничений, накладываемых условием ненарушения логических уровней), а если соединить выходы всех шести входящих в состав микросхемы элементов, то можно подключать нагрузку до 20 мА— главное, не превысить допустимый ток через вывод питания. Есте­ственно, при этом необходимо также объединить и входы, превратив всю микросхему как бы в один мощный инвертор.

Есть, разумеется, и логические элементы с большим количеством входов. я не буду приводить здесь разводку выводов других типов логических микро­схем, чтобы не загромождать текст, так как наличие отдельного справочника по ним в любом случае обязательно. В качестве справочника, в котором при­ведены не только основные сведения и разводка выводов, но и подробно объ­ясняется работа микросхем базовых серий с многочисленными примерами, я бы рекомендовал разыскать у букинистов книгу [21]. Это суперпопулярное пособие вышло в свое время несколькими изданиями, но, к сожалению, дав­но не переиздавалось, хотя почти не устарело (правда, некоторых современ­ных типов в нем нет). Есть подобные пособия и в Сети.

Другой широко употреб’ляемой разновидностью логических микросхем яв­ляются элементы, имеющие выход с открытым истоком (с открытым коллек­тором для ТТЛ). Такой выход, как мы помним, имеет компаратор 521 САЗ (см. главу 12), Есть такие элементы и с чисто логическими функциями — в КМОП-серии это CD40107 (561 ЛАЮ, содержит два двухвходовых элемента «И-НЕ»), в быстродействующих КМОП это 74НС05 (шесть инверторов, ана­лог ЛАЮ под названием 74НС22 снят с производства). Причем CD40107 мо­жет коммутировать значительный втекающий ток — аж до 136 мА при 25 ^С и 10 В питания, и 70 мА при 5 В. 74НС05 скромнее, и коммутирует стандарт­ные для этой серии 20 мА.

Эти элементы используют не только для коммутации мощной нагрузки, но и для объединения на общей шине в так называемое «проводное» или «мон­тажное ИЛИ» (см. рис. 15.4). Название это, на мой взгляд, несколько неудач­ное, ибо соответствует отрицательной логике — на общей шине логическая единица будет только тогда, когда выходы всех элементов установятся в 1, а если хотя бы один выход находится в нуле, то и на шине будет ноль, что в положительной логике соответствует операции «И».

clip_image006

Рис. 15.4. Объединение элементов с открытым коллектором по схеме «проводное ИЛИ»

Для объединения выходов могут служить и так называемые элементы с третьим состоянием. Это соответствует не логическому понятию состояния, а электрическому — третье состояние в данном случае обозначает просто об­рыв, отключение выхода элемента от вывода микросхемы. Такие элементы имеются и в составе серий, но наиболее часто применяются в составе более сложных микросхем. Например, выводы микроконтроллеров всегда имеют возможность переключения в третье состояние.

Заметки на полях

Мы часто будем усиливать выходы КМОП-микросхем с помощью отдельного ключевого транзистора, и схема его включения может представлять в данном случае исключение из того правила, что в ключевом режиме обязательно «привязывать» базу к «земле», как это было оговорено в главе 6 (см. рис. 6.4 и относящийся к нему текст). Дело в том, что подключенная к выходу логическо­го элемента база транзистора всегда будет привязана через токоограничи­вающий резистор к какому-нибудь потенциалу, и в воздухе никогда не «повис­нет», поэтому и запирающий резистор можно не ставить. Однако это не отно­сится к случаю, когда база управляется от выхода ТТЛ-микросхемы через ди­од, включенный в прямом направлении, как это часто делают, чтобы обеспечить надежное запирание транзистора (см., например, [16]) На мой взгляд, ставить такой диод совершенно не требуется, но если уж автор по­строил схему именно так, то нужно ставить и запирающий резистор, потому что при нулевом потенциале на выходе микросхемы диод запирается и база тогда «повисает» в воздухе.

3 комментариев(ия)

  1. Алекс says:

    http://nauchebe.net/2010/06/xarakteristiki-razlichnyx-serij-kmop/
    “я бы рекомендовал разыскать у букинистов книгу [21].”
    А где, собственно, список литературы?

  2. admin says:

    К сожалению весь список привести не могу, вот интересующая Вас книга:
    21. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1988.
    Если что еще нужно, пишите …

  3. Михаил says:

    Хорошая публикация .Как раз искал про микросхемы серий 1554 и 1564 . И вот пожалуйста нашел то что нужно . Благодарю Вас !

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты