ข้าว. 16.10.
ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างวงจร CMOS และเทคโนโลยี nMOS คือการไม่มีความต้านทานแบบแอคทีฟในวงจร ทรานซิสเตอร์คู่ที่มีช่องสัญญาณประเภทอื่นเชื่อมต่อกับแต่ละอินพุตของวงจร ทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณชนิด p เชื่อมต่อกันโดยวัสดุพิมพ์กับแหล่งพลังงาน ดังนั้นการก่อตัวของช่องสัญญาณในตัวอุปกรณ์จะเกิดขึ้นเมื่อความต่างศักย์ระหว่างวัสดุพิมพ์และเกตมีขนาดใหญ่เพียงพอ และความต่างศักย์ที่เกตต้องเป็นลบ สัมพันธ์กับวัสดุพิมพ์ สถานะนี้มั่นใจได้โดยการใช้ศักย์กราวด์กับเกต (เช่น ตรรกะ 0) ทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณชนิด n จะเชื่อมต่อกันด้วยวัสดุพิมพ์กับกราวด์ ดังนั้นการก่อตัวของช่องสัญญาณในตัวอุปกรณ์จะเกิดขึ้นเมื่อมีการจ่ายศักย์ของแหล่งพลังงานไปที่เกต (เช่น ลอจิคัล 1) การใช้ศูนย์โลจิคัลหรือโลจิคัลหนึ่งกับคู่ของทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณประเภทต่าง ๆ พร้อมกันนำไปสู่ความจริงที่ว่าทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งของคู่จะต้องเปิดและอีกตัวปิด ดังนั้นจึงมีการสร้างเงื่อนไขสำหรับการเชื่อมต่อเอาต์พุตกับแหล่งพลังงานหรือกราวด์
ดังนั้นในกรณีที่ง่ายที่สุดสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์ (รูปที่ 16.10) ที่ A = 0 ทรานซิสเตอร์ VT1 จะเปิดและ VT2 จะถูกปิด ดังนั้นเอาต์พุตของวงจร F จะเชื่อมต่อผ่านช่อง VT1 ไปยังแหล่งพลังงานซึ่งสอดคล้องกับสถานะตรรกะหนึ่ง: F=1 ที่ A=1 ทรานซิสเตอร์ VT1 จะถูกปิด (เกตและซับสเตรตมีศักยภาพเท่ากัน) และ VT2 จะเปิด ดังนั้นเอาต์พุตของวงจร F จะต่อผ่านช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์ VT2 ลงกราวด์ ซึ่งสอดคล้องกับสถานะตรรกะเป็นศูนย์: F=0
การเติมลอจิก (รูปที่ 16.11) ดำเนินการโดยการเชื่อมต่อ p-channel ของทรานซิสเตอร์ VT1 และ VT2 ในอนุกรม เมื่อมีการจ่ายไฟอย่างน้อยหนึ่งยูนิต ทรานซิสเตอร์เหล่านี้จะไม่สร้างช่องสัญญาณเดียว ในเวลาเดียวกันด้วยการเชื่อมต่อแบบขนานของ VT3 และ VT4 ทำให้ทรานซิสเตอร์ที่เกี่ยวข้องที่ด้านล่างของวงจรถูกเปิดขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อของเอาต์พุต F ลงกราวด์ ปรากฎว่า F=0 เมื่อใช้ตรรกะ 1 อย่างน้อยหนึ่งรายการ - นี่คือกฎ OR-NOT
ข้าว. 16.11.
ฟังก์ชั่น NAND ดำเนินการผ่านการเชื่อมต่อแบบขนานของ VT1 และ VT2 ที่ส่วนบนของวงจรและการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของ VT3 และ VT4 ในส่วนล่าง (รูปที่ 16.12) หากใช้ศูนย์กับอินพุตอย่างน้อยหนึ่งรายการ ช่องเดียวบน VT3 และ VT4 จะไม่ถูกสร้างขึ้น เอาต์พุตจะถูกตัดการเชื่อมต่อจากกราวด์ ในเวลาเดียวกัน ทรานซิสเตอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวในส่วนบนของวงจร (ไปยังเกตที่ใช้ศูนย์โลจิคัล) จะให้การเชื่อมต่อของเอาต์พุต F กับแหล่งพลังงาน: F = 1 เมื่อใช้อย่างน้อยหนึ่งศูนย์ - กฎ AND-NOT
ข้าว. 16.12.
สรุปสั้นๆ
มีเทคโนโลยีการผลิต IC ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับฐานองค์ประกอบ สิ่งหลักคือ TTL บนทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และเปิด nMOS และ CMOS ทรานซิสเตอร์สนามผล.
เงื่อนไขสำคัญ
เทคโนโลยีเอ็นเอ็มโอเอส ทรานซิสเตอร์สนามผลด้วยช่องสัญญาณเหนี่ยวนำชนิด n
บัฟเฟอร์ 3 สถานะ– ส่วนเอาต์พุตของวงจร TTL ซึ่งให้ความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนไปสู่สถานะที่สามซึ่งมีอิมพีแดนซ์สูง
เทคโนโลยีซีมอส- เทคโนโลยีการผลิตไอซีบนพื้นฐาน ทรานซิสเตอร์สนามผลมีช่องนำไฟฟ้าทั้งสองแบบ
เปิดนักสะสม– ตัวเลือกสำหรับการนำส่วนบัฟเฟอร์ของส่วนประกอบ TTL ไปใช้โดยไม่มีตัวต้านทานในวงจรโหลด ซึ่งถอดออกภายนอกวงจร
วงจรโหลดตัวต้านทาน– วงจร TTL ซึ่งสถานะของวงจรบัฟเฟอร์ถูกกำหนดโดยสถานะของทรานซิสเตอร์ไม่ใช่ตัวเดียว แต่สองตัว
ตรรกะของทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์– เทคโนโลยีการผลิตไอซีจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์
ตัวย่อที่ยอมรับ
ซีมอส –ส่วนประกอบเสริม โลหะ ออกไซด์ สารกึ่งตัวนำ
ชุดฝึก
แบบฝึกหัดสำหรับการบรรยายครั้งที่ 16
แบบฝึกหัดที่ 1
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 1.วาดวงจรขององค์ประกอบ NOR 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับการออกกำลังกาย 1.วาดวงจรขององค์ประกอบ NAND 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 1.วาดวงจรขององค์ประกอบ NOR 4 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
แบบฝึกหัดที่ 2
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 2.วาดวงจรของเกท NOR 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 2.วาดวงจรของเกต NAND 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 2.วาดวงจรของเกท NOR 4 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
แบบฝึกหัดที่ 3
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับการออกกำลังกาย 3.วาดวงจรขององค์ประกอบ NOR 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี TTL
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับการออกกำลังกาย 3.วาดไดอะแกรมขององค์ประกอบ NAND 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี TTL
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 3.วาดวงจรขององค์ประกอบ NOR 4 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี TTL
แบบฝึกหัดที่ 4
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 4.วาดวงจรขององค์ประกอบ 3 อินพุตหรือโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 4.วาดวงจรขององค์ประกอบ AND แบบ 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 4.วาดวงจรขององค์ประกอบ 4 อินพุตหรือโดยใช้เทคโนโลยี nMOS
แบบฝึกหัดที่ 5
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 5.วาดวงจรของเกต 3 อินพุตหรือเกตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 5.วาดแผนภาพวงจรขององค์ประกอบ AND แบบ 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 5.วาดวงจรของเกต 4 อินพุตหรือเกตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS
แบบฝึกหัดที่ 6
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 6. วาดวงจรขององค์ประกอบ 3 อินพุตหรือโดยใช้เทคโนโลยี TTL
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 6.วาดวงจรขององค์ประกอบ AND แบบ 3 อินพุตโดยใช้เทคโนโลยี TTL
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 6.วาดวงจรขององค์ประกอบ 4 อินพุตหรือโดยใช้เทคโนโลยี TTL
แบบฝึกหัดที่ 7
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับการออกกำลังกาย 7.วาดไดอะแกรมขององค์ประกอบ 2I-OR-NOT โดยใช้เทคโนโลยี TTL
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับการออกกำลังกาย 7.วาดไดอะแกรมขององค์ประกอบ 2I-OR-NOT โดยใช้เทคโนโลยี CMOS
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 7.วาดไดอะแกรมขององค์ประกอบ 2AND-OR-NOT โดยใช้เทคโนโลยี nMOS
แบบฝึกหัดที่ 8
ตัวเลือกที่ 1 สำหรับแบบฝึกหัดที่ 8.วาดวงจรของเกท NOR 3 อินพุตพร้อมบัฟเฟอร์ 3 สถานะ
ตัวเลือกที่ 2 สำหรับการออกกำลังกาย 8.วาดวงจรของเกท NAND 3 อินพุตด้วย open collector
ตัวเลือกที่ 3 สำหรับการออกกำลังกาย 8.วาดวงจรของเกต 3 อินพุตหรือเกตด้วยบัฟเฟอร์ 3 สถานะ
คุณสมบัติทั่วไปหลักของ TTL คือการใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ และโครงสร้างเป็นเพียง p-p-p CMOS ตามชื่อของมันนั้นใช้ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กซึ่งมีเกทหุ้มฉนวนของโครงสร้าง MOS และเป็นส่วนเสริมของทั้งสองขั้ว - ทั้งที่มีช่อง w- และ /^-channel การออกแบบวงจรขององค์ประกอบลอจิก TTL และ CMOS พื้นฐานแสดงไว้ในรูปที่ 1 15.1. ทางตะวันตกเรียกอีกอย่างว่าวาล์ว - เราจะมาดูกันว่าชื่อนี้จะมีเหตุผลได้อย่างไรในตอนท้ายของบท
เราได้วาดทรานซิสเตอร์ TTL หลายตัวส่งสัญญาณอินพุตแล้วในบทที่ 1 - มันสามารถมีตัวส่งสัญญาณได้มากเท่าที่คุณต้องการ (ในทางปฏิบัติมากถึงแปดตัว) จากนั้นองค์ประกอบจะมีจำนวนอินพุตที่สอดคล้องกัน หากตัวส่งสัญญาณของทรานซิสเตอร์ VT1 ตัวใดตัวหนึ่งลัดวงจรลงกราวด์ ทรานซิสเตอร์จะเปิดขึ้น และทรานซิสเตอร์แบบเปลี่ยนเฟส VT2 (เราคุ้นเคยกับการทำงานของมันจากรูปที่ 6.8) จะปิดลง ดังนั้นทรานซิสเตอร์เอาต์พุต VT3 จะเปิดขึ้นและ VT4 จะปิดลง เอาต์พุตจะเป็นระดับลอจิคัลสูงหรือระดับลอจิคัลหนึ่งระดับ หากตัวส่งสัญญาณทั้งหมดเชื่อมต่อกับศักยภาพสูง (หรือเพียงแค่ "แขวน" ในอากาศ) สถานการณ์จะตรงกันข้าม - VT2 จะเปิดด้วยกระแสผ่านทางแยกฐานสะสม VT1 (สวิตช์เปิดของทรานซิสเตอร์นี้เรียกว่า “ผกผัน”) และเอาต์พุตจะถูกตั้งค่าเป็นศูนย์เนื่องจากทรานซิสเตอร์เปิด VT4 องค์ประกอบ TTL ดังกล่าวจะดำเนินการฟังก์ชัน "AND-NOT" (ศูนย์ตรรกะที่เอาต์พุตเฉพาะเมื่ออินพุตทั้งหมดเป็นหนึ่งเดียว)
ทีทีแอล
สเตจเอาท์พุตขององค์ประกอบ TTL นั้นเป็นสเตจ B คลาส B เสริม ("push-pull") ซึ่งคุ้นเคยกับเราจากแอมพลิฟายเออร์แอนะล็อก (ดูรูปที่ 8.2) อย่างไรก็ตาม การสร้างทรานซิสเตอร์ pnp กลับกลายเป็นว่ายากเกินไปสำหรับเทคโนโลยี TTL ซึ่งเป็นสาเหตุที่น้ำตกดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าการเสริมหลอก - ทรานซิสเตอร์ตัวบน VT3 ทำงานในโหมดตัวติดตามตัวปล่อยและตัวล่างทำงานในวงจรตัวส่งสัญญาณทั่วไป
ข้าว. 15.1. วงจรขององค์ประกอบ TTL และ CMOS พื้นฐาน
อย่างไรก็ตามเราทราบว่าเนื่องจากทรานซิสเตอร์ p-w-p ไม่พร้อมใช้งาน การสร้างวงจร "OR" สำหรับเทคโนโลยี TTL กลายเป็นน็อตที่ยากที่จะแตกและการออกแบบวงจรของมันแตกต่างอย่างมากจากที่แสดงในรูปที่ 1 15.1 แผนภาพพื้นฐานขององค์ประกอบ "AND-NOT"
หมายเหตุในระยะขอบ
ในยุคแรก ๆ ของเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์ มีการใช้สเตจเสริมหลอกที่คล้ายกับสเตจเอาท์พุต TTL - โอ้สยองขวัญ! - เพื่อเพิ่มคุณภาพเสียง โครงสร้างนี้ก่อให้เกิดความพยายามหลายครั้งในการปรับองค์ประกอบลอจิก ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือเครื่องขยายเสียงที่มีอัตราขยายค่อนข้างมาก (หลายสิบ) เพื่อขยายสัญญาณอะนาล็อก ไม่ต้องพูดอะไรมาก ผลลัพธ์ที่ได้ค่อนข้างหายนะ แม้ว่าจะมีองค์ประกอบ CMOS ซึ่งได้รับการสร้างให้สมมาตรมากกว่ามากก็ตาม
ดังที่เห็นได้จากแผนภาพ องค์ประกอบ TTL มีความไม่สมมาตรอย่างมากทั้งอินพุตและเอาต์พุต ที่อินพุตแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์แบบลอจิคัลควรอยู่ใกล้กับกราวด์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ตัวส่งสัญญาณอยู่ที่ประมาณ 1.5 V (ด้วยแหล่งจ่าย TTL มาตรฐาน 5 V) ทรานซิสเตอร์อินพุตจะถูกปิดแล้ว ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อใช้ศูนย์ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้กำจัดกระแสตัวปล่อยฐานที่มีนัยสำคัญออกแล้ว - ประมาณ 1.6 mA สำหรับองค์ประกอบมาตรฐาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสำหรับองค์ประกอบ TTL จำนวนสูงสุดขององค์ประกอบอื่น ๆ ดังกล่าวที่เชื่อมต่อกับเอาต์พุตพร้อมกันจึงอยู่เสมอ ระบุ (มาตรฐาน - ไม่เกินหนึ่งโหล) ในเวลาเดียวกัน ลอจิคัลอาจไม่สามารถป้อนให้กับอินพุตได้เลย อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติ ควรมีการจัดหา - ตามกฎแล้ว อินพุต TTL ที่ไม่ได้ใช้จะต้องเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟผ่านตัวต้านทาน 1 kOhm
สิ่งที่แย่ยิ่งกว่านั้นที่เอาต์พุต: แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์แบบลอจิคัลนั้นมาจากทรานซิสเตอร์แบบเปิดและค่อนข้างใกล้กับศูนย์ - แม้ว่าจะมีโหลดในรูปแบบของอินพุตองค์ประกอบอื่น ๆ ที่คล้ายกันจำนวนหนึ่งโหล แต่ก็ไม่เกิน 0.5 V และ มาตรฐานสำหรับสัญญาณ TTL กำหนดค่าไม่เกิน 0 .8 V แต่แรงดันไฟฟ้าของหน่วยลอจิคัลอยู่ค่อนข้างไกลจากแหล่งจ่ายและด้วยแหล่งจ่าย 5 V ในกรณีที่ดีที่สุด (ไม่มีโหลด) มาจาก 3.5 ถึง 4 V แต่ในทางปฏิบัติมาตรฐานกำหนดไว้ที่ 2.4 V
ความสมดุลของหนึ่งในสิบของโวลต์ (แรงดันศูนย์ 0.8 V, การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์จาก 1.2 เป็น 2 V, แรงดันเอกภาพ 2.4 V) นำไปสู่ความจริงที่ว่าไมโครวงจร TTL ทั้งหมดสามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างแคบ - เกือบจาก 4.5 ถึง 5.5 V จำนวนมากตั้งแต่ 4.75 ถึง 5.25 V นั่นคือ 5 V ±5% แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตสำหรับซีรีย์ TTL ที่แตกต่างกันคือตั้งแต่ 6 ถึง 7 V และเมื่อเกินแรงดันไฟฟ้ามักจะไหม้ด้วยเปลวไฟที่ชัดเจน ค่าที่ต่ำและไม่สมมาตรเมื่อเทียบกับเกณฑ์การจ่ายไฟขององค์ประกอบยังทำให้ภูมิคุ้มกันทางเสียงไม่ดีอีกด้วย
ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุด (และร้ายแรงกว่าอย่างอื่น) ของ TTL คือการสิ้นเปลืองพลังงานสูง - สูงถึง 2.5 mA ต่อองค์ประกอบดังกล่าวซึ่งไม่ได้คำนึงถึงกระแสที่ไหลที่อินพุตและปริมาณการใช้โหลดที่เอาต์พุต จึงต้องสงสัยว่าเหตุใดชิป TTL ที่มีองค์ประกอบพื้นฐานมากมาย เช่น ตัวนับหรือรีจิสเตอร์ จึงไม่ต้องใช้หม้อน้ำระบายความร้อน การรวมกันของการป้องกันสัญญาณรบกวนต่ำที่มีการสิ้นเปลืองสูงเป็นส่วนผสมที่ค่อนข้างระเบิดและเมื่อเดินสายบอร์ดที่มีวงจรไมโคร TTL คุณจะต้องติดตั้งตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนในแต่ละกรณี จากทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นคงบังคับให้เราละทิ้งเทคโนโลยี TTL ไปนานแล้ว แต่จนถึงบางครั้งพวกเขาก็มีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้อย่างหนึ่ง นั่นคือ ประสิทธิภาพสูง ซึ่งสำหรับองค์ประกอบพื้นฐานในรูปแบบที่แสดงในรูปที่ 1 15.1 สามารถเข้าถึงหลายสิบเมกะเฮิรตซ์
ต่อจากนั้นการพัฒนา TTL ดำเนินไปตามแนวการลดการบริโภคและปรับปรุงลักษณะทางไฟฟ้าโดยส่วนใหญ่ผ่านการใช้สิ่งที่เรียกว่า จุดเชื่อมต่อ Schottky ซึ่งแรงดันตกสามารถเป็น 0.2-0.3 V แทนที่จะเป็น 0.6-0.7 V ปกติ (เทคโนโลยี TTLSh ที่กำหนดโดยตัวอักษร S ในชื่อของซีรีส์ อะนาล็อกในประเทศคือซีรีส์ 531 และ 530) เทคโนโลยีพื้นฐานที่สร้างพื้นฐานของซีรีส์ 74 ซึ่งแพร่หลายในช่วงทศวรรษที่ 1960 และ 70 โดยไม่มีตัวอักษรเพิ่มเติมในการกำหนด (แอนะล็อกคือซีรีส์ในประเทศที่มีชื่อเสียง 155 และ 133) ปัจจุบันไม่ได้ใช้งานจริงแล้ว สามารถเลือกชิป TTL ได้จากซีรีส์ 74LSxx ที่ใช้พลังงานต่ำ (ซีรีส์ 555 และ 533) หรือซีรีส์ 74Fxx ความเร็วสูง (ซีรีส์ 1531) ยิ่งกว่านั้นการบริโภคอย่างหลังเกือบจะเท่ากับการบริโภคซีรีย์พื้นฐานเก่าที่ความเร็วสูงกว่า (สูงถึง 125 MHz) แต่สำหรับรุ่นแรกมันเป็นอีกทางหนึ่ง - ประสิทธิภาพจะยังคงอยู่ที่ระดับพื้นฐาน แต่การใช้พลังงาน ลดลงสามถึงสี่เท่า
ซีมอส
องค์ประกอบ CMOS นั้นใกล้เคียงกับแนวคิดที่ว่าองค์ประกอบลอจิกในอุดมคติควรเป็นอย่างไร เริ่มแรก ดังจะเห็นได้จากภาพ 15.1 พวกมันมีความสมมาตรในทางปฏิบัติ ทั้งในอินพุตและเอาต์พุต ทรานซิสเตอร์สนามผลแบบเปิดที่เอาท์พุต (ไม่ว่าจะเป็น /?-ประเภทสำหรับลอจิคัลหรือ -type สำหรับศูนย์ลอจิคัล) นั้นเป็นความจริงดังที่เราทราบ
ความต้านทานเพียงอย่างเดียว ซึ่งสำหรับองค์ประกอบ CMOS ทั่วไปสามารถอยู่ระหว่าง 100 ถึง 300 โอห์ม (โดย CMOS แบบ "ทั่วไป" หรือ "คลาสสิก" เราหมายถึงซีรีส์ 4000A หรือ 4000B ในที่นี้ ดูด้านล่าง) เพื่อความสมมาตรเพิ่มเติม อินเวอร์เตอร์สองตัวที่คล้ายกับที่แสดงในรูปที่ มักจะวางอนุกรมกันที่เอาท์พุต 15.1 ทางด้านขวา (บางทีอาจเป็นเรื่องน่าเสียดายสำหรับทรานซิสเตอร์หากการบริโภคไม่เพิ่มขึ้น) ดังนั้นเอาต์พุตจึงไม่ได้รับผลกระทบจากข้อเท็จจริงที่ว่าที่แขนท่อนล่างของวงจร "AND-NOT" มีทรานซิสเตอร์สองตัวอยู่ในอนุกรม
สำหรับวงจร "OR" ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวจะอยู่ที่ต้นแขนซึ่งมีความสมมาตรอย่างสมบูรณ์กับวงจร "AND" ซึ่งเป็นข้อดีของเทคโนโลยี CMOS เมื่อเปรียบเทียบกับ TTL โปรดทราบว่าระยะเอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นตามวงจรสเตจแบบ "พุช - พูล" นั่นคือสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ตัวติดตามแรงดันการไหล แต่เป็นทรานซิสเตอร์ในวงจรที่มีแหล่งกำเนิดร่วมซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยท่อระบายน้ำซึ่งช่วยให้ คุณจะได้รับแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
ในทางปฏิบัติคุณสมบัติการออกแบบขององค์ประกอบนำไปสู่ความจริงที่ว่าในวงจรไมโคร CMOS:
ที่เอาท์พุตที่ไม่ได้โหลด ลอจิกหนึ่งแรงดันไฟฟ้าเกือบเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย และแรงดันไฟฟ้าศูนย์ลอจิกเกือบเท่ากับศักย์กราวด์
เกณฑ์การสลับอยู่ใกล้กับครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้า
อินพุตแทบไม่กินกระแสเลย เนื่องจากเป็นเกตแยกของทรานซิสเตอร์ MOS
ในโหมดคงที่ องค์ประกอบทั้งหมดจะไม่ใช้กระแสจากแหล่งจ่ายไฟ
จากจุดสุดท้ายตามมาว่าวงจรของความซับซ้อนระดับใด ๆ ที่สร้างขึ้นโดยใช้องค์ประกอบ CMOS ในสถานะ "แช่แข็ง" และแม้แต่ที่ความถี่การทำงานต่ำไม่เกินหนึ่งโหลหรือสองกิโลเฮิรตซ์ก็ไม่สิ้นเปลืองพลังงานเลย! จากที่นี่เป็นที่ชัดเจนว่ากลอุบายต่างๆ เช่น นาฬิกาข้อมือซึ่งสามารถทำงานโดยใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กได้นานหลายปี หรือโหมดสลีปของไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งพวกมันกินไฟตั้งแต่ 1 ถึง 50 μA สำหรับองค์ประกอบลอจิคัลนับหมื่นทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นองค์ประกอบเหล่านั้น เป็นไปได้
ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของคุณสมบัติข้างต้นคือการป้องกันเสียงรบกวนที่ยอดเยี่ยม โดยมีแรงดันไฟฟ้าถึงครึ่งหนึ่ง แต่นั่นไม่ใช่ผลประโยชน์ทั้งหมด ไมโครวงจร CMOS ของซีรีย์ "คลาสสิก" สามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ถึง 18 V และวงจรความเร็วสูงสมัยใหม่ - ตั้งแต่ 2 ถึง 7 V สิ่งเดียวที่เกิดขึ้นในกรณีนี้คือ
เมื่อแหล่งจ่ายไฟลดลงอย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพจะลดลงและคุณลักษณะอื่นๆ บางอย่างจะลดลง
นอกจากนี้ ทรานซิสเตอร์เอาท์พุต CMOS เช่นเดียวกับทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามอื่นๆ ทำงานเป็นแหล่งกระแสเมื่อมีการโอเวอร์โหลด (เช่น ในโหมดลัดวงจร) - ที่แรงดันไฟฟ้า 15 V กระแสนี้จะอยู่ที่ประมาณ 30 mA ที่ 5 V - ประมาณ 5 มิลลิแอมป์ โดยหลักการแล้วสิ่งนี้อาจเป็นโหมดการทำงานในระยะยาวขององค์ประกอบดังกล่าวได้สิ่งเดียวที่ต้องตรวจสอบคือค่าของกระแสทั้งหมดที่อนุญาตผ่านเอาต์พุตกำลังซึ่งโดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ 50 mA นั้นไม่ใช่หรือไม่ เกิน นั่นคือคุณอาจต้องจำกัดจำนวนเอาต์พุตที่เชื่อมต่อกับโหลดความต้านทานต่ำพร้อมกัน โดยปกติแล้วจะไม่มีการพูดถึงระดับลอจิคัลในโหมดนี้ แต่จะไม่มีการพูดถึงเฉพาะกระแสที่ไหลเข้าหรือไหลออกเท่านั้น
และที่นี่เรามาถึงข้อเสียเปรียบหลักของเทคโนโลยี CMOS "คลาสสิก" - ประสิทธิภาพต่ำเมื่อเทียบกับ TTL นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าประตูที่หุ้มฉนวนของทรานซิสเตอร์ MOS นั้นเป็นตัวเก็บประจุที่มีความจุค่อนข้างมาก - ในองค์ประกอบฐานสูงถึง 10-15 pF เมื่อรวมกับความต้านทานเอาต์พุตของวงจรก่อนหน้าตัวเก็บประจุดังกล่าวจะสร้างตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน โดยปกติแล้ว ไม่ใช่แค่พิจารณาคุณสมบัติด้านความถี่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเวลาหน่วงของการแพร่กระจายสัญญาณไปยังองค์ประกอบลอจิกเดียวด้วย ความล่าช้าเกิดขึ้นเนื่องจากด้านหน้าของสัญญาณไม่ได้เป็นแนวตั้งอย่างเคร่งครัด แต่มีความโน้มเอียง และแรงดันเอาต์พุตจะเริ่มเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตถึงค่าที่มีนัยสำคัญแล้ว (ในอุดมคติแล้ว ครึ่งหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟ แรงดันไฟฟ้า) เวลาหน่วงอาจถึง 200-250 ns ในซีรีย์ CMOS ยุคแรก ๆ (เปรียบเทียบ - ซีรีย์ TTL พื้นฐานมีเพียง 7.5 ns) ในทางปฏิบัติด้วยแรงดันไฟฟ้า 5 V ความถี่การทำงานสูงสุดของ CMOS "คลาสสิก" จะต้องไม่เกิน 1-3 MHz พยายามสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณสี่เหลี่ยมโดยใช้องค์ประกอบลอจิกโดยใช้วงจรใด ๆ ที่จะกล่าวถึงในบทที่ 16 และคุณจะเห็นว่าที่ความถี่ 1 MHz รูปคลื่นจะมีลักษณะคล้ายกับคลื่นไซน์แทนที่จะเป็นสี่เหลี่ยม
ผลที่ตามมาอีกประการของการมีอยู่ของความจุอินพุตสูงก็คือเมื่อทำการสลับพัลส์ปัจจุบันดูเหมือนว่าจะชาร์จความจุนี้นั่นคือยิ่งความถี่ในการทำงานสูงเท่าไรก็ยิ่งกินวงจรมากขึ้นเท่านั้นและเชื่อกันว่าที่ความถี่การทำงานสูงสุดการบริโภคของมัน สามารถเปรียบเทียบได้กับการใช้ TTL (อย่างน้อย , TTL series 74LS) เรื่องนี้รุนแรงขึ้นอีกจากความจริงที่ว่าเนื่องจากด้านหน้าของพัลส์ที่ยืดเยื้อองค์ประกอบจึงยังคงอยู่ในสถานะแอคทีฟเป็นเวลานานเมื่อทรานซิสเตอร์เอาต์พุตทั้งสองเปิดเล็กน้อย (นั่นคือเอฟเฟกต์ที่เรียกว่า "ผ่านกระแส" เกิดขึ้น) .
การกระชับด้านหน้าแบบเดียวกันนี้เมื่อใช้ร่วมกับอินพุตอิมพีแดนซ์สูงจะทำให้การป้องกันเสียงรบกวนลดลงเมื่อทำการสลับ - หากการรบกวนความถี่สูง "นั่ง" ที่ด้านหน้าสัญญาณ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การสลับเอาต์พุตหลายครั้ง เช่นเดียวกับ กรณีที่มีตัวเปรียบเทียบ (ดูบทที่ 13) ด้วยเหตุนี้ ข้อมูลจำเพาะสำหรับไมโครวงจรมักจะระบุระยะเวลาสูงสุดที่ต้องการของขอบของสัญญาณควบคุม
อย่างไรก็ตามใน CMOS สมัยใหม่ตรงกันข้ามกับ "คลาสสิก" ข้อเสียส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพต่ำได้ถูกเอาชนะแล้ว (แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายในการลดช่วงแหล่งจ่ายไฟที่อนุญาตก็ตาม) รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับซีรีย์ CMOS มีการอธิบายไว้ด้านล่าง แต่สำหรับตอนนี้มีคำเพิ่มเติมสองสามคำเกี่ยวกับคุณสมบัติของไมโครวงจรเหล่านี้
อินพุตที่ไม่ได้ใช้ขององค์ประกอบ CMOS จะต้องเชื่อมต่อที่ไหนสักแห่ง - ไม่ว่าจะลงกราวด์หรือกำลังไฟ (ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทาน เนื่องจากอินพุตไม่กินกระแส) หรือรวมกับอินพุตที่อยู่ติดกัน - มิฉะนั้นการรบกวนที่อินพุตอิมพีแดนซ์สูงดังกล่าวจะ ขัดขวางการทำงานของวงจรโดยสิ้นเชิง นอกจากนี้ เพื่อลดการบริโภค ควรทำสิ่งนี้โดยสัมพันธ์กับองค์ประกอบที่ไม่ได้ใช้ในกรณีเดียวกัน (แต่ไม่ใช่กับเทอร์มินัลที่ไม่ได้ใช้ทั้งหมดแน่นอน) อินพุต CMOS แบบ "เปล่า" เนื่องจากมีความต้านทานสูง ยังสามารถเป็นสาเหตุของ "การตาย" ของชิปที่เพิ่มขึ้นเมื่อสัมผัสกับไฟฟ้าสถิต อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ อินพุตจะถูกสับเปลี่ยนด้วยไดโอดเสมอ ดังแสดงในรูปที่ 1 11.4. กระแสไฟฟ้าที่อนุญาตผ่านไดโอดเหล่านี้ยังระบุไว้ในข้อกำหนดทางเทคนิคด้วย
ในการออกแบบไอซีดิจิทัลนอกเหนือจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ pnp และ pnp แล้วยังใช้เอฟเฟกต์สนามแบบยูนิโพลาร์และทรานซิสเตอร์ช่องสัญญาณด้วย (รูปที่ 5.17a) ซึ่งเรียกว่าทรานซิสเตอร์ MOS (ทรานซิสเตอร์ MOS; MOS - โลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ - โลหะ - ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) โดยทั่วไป ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามมีอิเล็กโทรดสี่อิเล็กโทรด: แหล่งกำเนิด S (แหล่งที่มา), เดรน D (เดรน), เกต G (เกต) และซับสเตรต SS (ซับสเตรต) เทอร์มินัลเกทในอิมเมจ FET ถูกเลื่อนเข้าใกล้เทอร์มินัลต้นทางมากขึ้น ภาพช่องสัญญาณที่มีเส้นประเสริมสมรรถนะ เป็นสัญลักษณ์ของการไม่มีการนำไฟฟ้าระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดที่แรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดเกตเป็นศูนย์ ในรูป ตามตาราง 5.17 และสัญลักษณ์ “+” และ “-” ระบุถึงขั้วของแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดสำหรับการทำงานปกติของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม โดยทั่วไปวัสดุพิมพ์จะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหรือขั้วใดขั้วหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟ
ในรูป 5.17.6 แสดงวงจรสำหรับเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์คู่เสริม (ทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณต่างกัน) ซึ่งเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ - อินเวอร์เตอร์ (LE NOT) คุณลักษณะของสวิตช์นี้คือการไม่มีกระแสผ่านทรานซิสเตอร์ในสถานะคงที่เนื่องจากค่าใด ๆ ของสัญญาณอินพุตหนึ่งในทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะถูกปิด สวิตช์จะใช้กระแสไฟเฉพาะเมื่อมีการสวิตช์ในช่วงเวลาที่สัญญาณอินพุตเปลี่ยนแปลง ในช่วงเวลานี้ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว
เปิดเนื่องจากสัญญาณอินพุตมีค่านำไปสู่ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์ -channel ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากศูนย์ กระแสไฟฟ้าไหลสูงสุดที่
ทรานซิสเตอร์แบบ Field-Effect ช่วยให้สามารถสร้างได้ไม่เพียงแต่แบบดิจิทัลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสวิตช์แบบอะนาล็อกสำหรับการสลับสัญญาณอะนาล็อกแบบไบโพลาร์ ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ในรูป 5.17,c แสดงองค์ประกอบหลักของสวิตช์แอนะล็อกดังกล่าว (แทนที่จะใช้ศักย์กราวด์ในการสลับสัญญาณไบโพลาร์ ควรใช้แรงดันไฟฟ้าลบ ที่ค่า ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจะปิด (ความต้านทานของไพรเวตคีย์เป็นแบบหมุน คีย์คือ เปิดอยู่ และเมื่อทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งเปิด ขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ถูกสวิตช์ ในกรณีนี้ ความต้านทานระหว่างขั้วสวิตช์จะอยู่ในช่วงตั้งแต่หน่วยถึงหลายร้อยโอห์ม ขึ้นอยู่กับประเภท (ความต้านทานของขั้วสวิตช์เปิด) สวิตช์) ยิ่งการพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณสวิตช์ต่ำลงเท่าใดความเป็นเส้นตรงของสวิตช์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เมื่อออกแบบสวิตช์แบบอะนาล็อกจะมีการใช้มาตรการเพื่อปรับปรุงความเป็นเส้นตรงของสวิตช์แบบอะนาล็อก เป็นขั้วของสวิตช์ที่ใช้สัญญาณสวิตช์
เทคโนโลยีหลักสามประการสำหรับการผลิตไอซีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามได้รับการพัฒนา:
เทคโนโลยี MOS (เทคโนโลยี n-MOS)
เทคโนโลยี MOS เทคโนโลยี p-MOS)
เทคโนโลยี CMOS เทคโนโลยี CMOS; CMOS - MOS เสริม)
เทคโนโลยีทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มความเร็วและระดับการรวมองค์ประกอบต่างๆ บนชิป จนถึงปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้หลายสิบรายการ
การออกแบบวงจรไอซีซีมอส ซีรีส์ CMOS IC แรกได้รับการพัฒนาโดยบริษัทในปี 1968 จากนั้นซีรีส์ก็ออกวางจำหน่าย ซึ่งต่อมาถูกแทนที่ด้วยซีรีส์ที่มีลักษณะที่ดีขึ้น ซีรีส์ IC เหล่านี้ผลิตโดยบริษัทต่างประเทศหลายแห่ง เช่น ซีรีส์ ซีรีส์ ซีรีส์ เป็นต้น ทั่วไป
ข้อเสียของไอซีของซีรีย์ทั้งหมดนี้คือความเร็วต่ำ (เวลาหน่วงของสัญญาณถึงหลายร้อยมิลลิวินาที) และค่ากระแสเอาต์พุตต่ำ
ในปี 1981 Motorola และ National Semiconductor ได้พัฒนา IC ซีรีส์ที่มีพารามิเตอร์ทางกายภาพใกล้เคียงกับซีรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งประสิทธิภาพของซีรีย์ CMOS และ TTL เหล่านี้จะเหมือนกัน (เวลาหน่วงประตูเฉลี่ยไม่ใช่) ประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นไปอีกในซีรีส์ CMOS ที่พัฒนาขึ้นในปี 1985 โดย Texas Instruments Inc. - บริษัท นำคุณสมบัติเชิงบวกของทั้ง TTL ICs และ CMOS ICs มาใช้ใน VST series ICs (1987) ซึ่งผลิตโดยใช้เทคโนโลยี BiCMOS ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีการจัดวางทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และ CMOS บนชิปตัวเดียวกันที่มีระดับสัญญาณ IC อินพุตและเอาต์พุต เข้ากันได้กับ TTL - ระดับ)
ในตาราง 5.9 แสดงความสอดคล้องระหว่างซีรีย์ CMOS IC ในประเทศและต่างประเทศ แรงดันไฟจ่ายของ CMOS IC สามารถเปลี่ยนแปลงได้ภายในขีดจำกัดที่กว้าง ยิ่งแรงดันไฟฟ้าจ่ายสูงเท่าไร IC จะทำงานเร็วขึ้นเท่านั้น ในแง่ของฟังก์ชันที่ทำและ (หรือ) การกำหนดหมายเลขพิน ไอซีของซีรีส์ 4000 ส่วนใหญ่แตกต่างจากไอซี TTL ที่มีจุดประสงค์การใช้งานคล้ายกัน ช่วงการทำงานของซีรีย์ IC รวมถึงส่วนหนึ่งของไอซีของทั้งซีรีย์ TTL 54/74 และซีรีย์ CMOS ที่มีตัวเลขเท่ากันในซีรีย์เหล่านี้ทั้งหมดโดยมีจุดประสงค์การใช้งานและการกำหนดหมายเลขพินเหมือนกัน)
ในรูป ตามรูป 5.18 a แสดงวงจรป้องกันไดโอดของอินพุตและเอาต์พุตของ LE จากแรงดันไฟฟ้าคงที่สำหรับไอซีซีรีส์ a ในรูป 5.18.6 - สำหรับซีรีย์ IC ไอซีดิจิทัลทั้งหมดมีการป้องกันอินพุตและเอาท์พุตดังกล่าว ยกเว้นตัวแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าซึ่งใช้เวอร์ชันอื่นของการป้องกันอินพุต (รูปที่ 5.19) ด้วยการป้องกันอินพุตเวอร์ชันแรก ระดับสัญญาณอินพุตไม่ควรเกินแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากการเปิดของไดโอดที่เชื่อมต่อระหว่างอินพุตและขั้ว ด้วยตัวเลือกการป้องกันที่สอง ระดับสัญญาณอินพุตอาจสูงกว่าระดับหลายเท่า ค่าโดยไม่ทำให้ IC เสียหาย (แรงดันไฟฟ้าส่วนเกินถูกดับโดยตัวต้านทาน) ในกรณีนี้ IC ทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสเต็ปดาวน์ลอจิก 1 วงจรอินพุตยังช่วยป้องกันแรงดันไฟฟ้าอินพุตเชิงลบด้วย ใน
(ดูการสแกน)
ต่อไปนี้ ตามกฎแล้วจะไม่แสดงวงจรป้องกันอินพุตและเอาต์พุต
ความแตกต่างระหว่างอนุกรม (รูปที่ 5.19,a) และ (รูปที่ 5.19,6) คือการมีบัฟเฟอร์เพิ่มเติมที่เอาต์พุตของ IC ของชุดหลังเพื่อแยก IC ออกจากสภาพแวดล้อมภายนอก แทนที่จะเป็นซีรีส์ ปัจจุบันมีการผลิตซีรีส์ที่มีเอาต์พุตที่ไม่มีบัฟเฟอร์ซึ่งมีพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่คล้ายกัน (UB - Unbuffered, B - Buffered) การมีบัฟเฟอร์เอาต์พุตเพิ่มเติมในซีรีส์ CD40005 ส่งผลให้สัญญาณล่าช้าใน LE เพิ่มขึ้น แต่ปรับปรุงคุณสมบัติการสลับ ลักษณะเปรียบเทียบของซีรี่ส์เหล่านี้แสดงอยู่ในตาราง 5.10.
ตารางที่ 5.10. (ดูการสแกน) พารามิเตอร์ของ IC ซีรีส์ CD4000B และ CD4000UB
การใช้งานสวิตช์แบบอะนาล็อกแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.20. เมื่อค่าสัญญาณเป็น OE = 1 (OE - เปิดใช้งานเอาต์พุต) ปุ่มจะเปิดและเมื่อปิด ในสถานะปิด สวิตช์จะมีคุณลักษณะพิเศษคืออิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่สูง และเป็นเรื่องปกติที่จะบอกว่าเอาต์พุตอยู่ในสถานะ Z แทน
ศักย์กราวด์ คุณสามารถใช้แรงดันลบได้ แต่ต้องเป็นไปตามเงื่อนไข
วงจรอินพุต 2 ตัวจะแสดงในรูป 5.21. ระยะเอาท์พุตของทรานซิสเตอร์เสริมสองตัวคือระยะบัฟเฟอร์ เนื่องจากจะแยกการเชื่อมต่อภายในทั้งหมดออกจากเอาท์พุตของ LE ความแตกต่างระหว่างซีรีย์ที่ไม่มีบัฟเฟอร์และซีรีย์บัฟเฟอร์สามารถมองเห็นได้ชัดเจนจากรูปที่ 1 แผนภาพ 5.22 ซึ่งแสดงฟังก์ชันเดียวกัน 5.23.
ชุดองค์ประกอบสากลซึ่งประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ MOS และอินเวอร์เตอร์เสริมสองคู่ถูกนำมาใช้ใน (รูปที่ 5.24) ชุดนี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถใช้การเชื่อมต่อพิน IC ภายนอกเพื่อรับสวิตช์แอนะล็อกและ
สวิตช์สองช่องแบบอะนาล็อก (รูปที่ 5.25) - เชื่อมต่อหมุด 2 และ 9 4 และ 11; 3 และ 6; 8, 10 และ 13; 1, 5 และ 12;
อินเวอร์เตอร์สามตัว - เชื่อมต่อพิน 2, 11 และ 14; 4, 7 และ 9; 8 และ 13 (เอาต์พุตไม่มีอินพุต 6); 1 และ 5 (เอาต์พุตไม่มีอินพุต 3); 10 - อินพุตเอาต์พุตไม่;
3OR-NOT - เชื่อมต่อพิน 4, 7 และ 9; และ 11; 5, 8 และ 12 (เอาต์พุต LE พร้อมอินพุต 3, 6 และ 10);
3I-NOT - เชื่อมต่อพิน 2, 11 และ 14; 4 และ 8; 5 และ 9; 1, 12 และ 13 (เอาต์พุต LE พร้อมอินพุต 3, 6 และ 10);
LE ซึ่งใช้ฟังก์ชั่นการเชื่อมต่อพิน 2 และ 14 4, 8 และ 9; 1 และ 11; 5, 12 และ 13 (เอาต์พุต
LE ซึ่งใช้ฟังก์ชั่นการเชื่อมต่อพิน 2 และ 14 7 และ 9; 4 และ 8; 1, 11 และ 13; 5 และ 12 (เอาต์พุต ;
อินเวอร์เตอร์ที่มีเอาต์พุตสถานะ Z ทำหน้าที่
ที่และสถานะเอาต์พุต Z ที่เชื่อมต่อพิน 8, 11 และ 13;
เมื่อเปรียบเทียบกับ TTL ICs ควรสังเกตข้อดีต่อไปนี้ของ CMOS IC ซีรีส์ 4000 (ซีรีส์ 561 และ 1561):
การใช้พลังงานต่ำในช่วงความถี่สูงถึง (ในโหมดคงที่ การใช้พลังงานต่อวาล์ว)
แรงดันไฟฟ้าที่หลากหลาย คุณสามารถใช้แหล่งจ่ายไฟที่ไม่เสถียร ความต้านทานอินพุตสูงมาก (ความสามารถในการรับน้ำหนักสูงที่ความถี่สูงถึง
การพึ่งพาลักษณะอุณหภูมิต่ำ ข้อเสียของ CMOS IC ซีรีส์ 4000 (ซีรีส์ 561 และ 1561) ได้แก่:
เพิ่มความต้านทานเอาต์พุต (0.5 ... 1 kOhm); อิทธิพลอย่างมากของความจุโหลดและแรงดันไฟฟ้าต่อเวลาหน่วง ระยะเวลาของขอบ และการใช้พลังงาน
เวลาล่าช้าที่ยาวนานและระยะเวลาของแนวรบ หลากหลายพารามิเตอร์ทั้งหมด
กราฟการกระจายพลังงานเทียบกับความถี่สำหรับ CMOS และ TTL IC ตัดกันที่ความถี่หนึ่ง เนื่องจากกำลังไดนามิกของ TTL IC ขึ้นอยู่กับความถี่ในการสลับน้อยมาก ที่ความถี่สูงสุดที่อนุญาต การใช้พลังงานของ CMOS IC จะอยู่ในลำดับเดียวกันกับของ TTL IC
ในโหมดคงที่ (ไม่มีการโอเวอร์โหลด) ระดับสัญญาณเอาท์พุตของ CMOS IC จะแตกต่างอย่างมากจากระดับของ CMOS IC ตรงกันข้ามกับค่าทั่วไป ข้อกำหนดสำหรับระดับสัญญาณอินพุตก็แตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน: สำหรับ CMOS IC ซึ่งแตกต่างจาก ,2 V สำหรับ TTL BC สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาบางอย่างเมื่อใช้ TTL และระดับในอุปกรณ์เครื่องเดียว
วิธีการประสานงานระดับต่างๆ จะมีการหารือในมาตรา 5.6
ซีรีส์นี้ผลิต CMOS IC สองประเภท: ซีรีส์ที่ไม่อินพุตตรงกับ TTL IC และซีรีส์ที่อินพุตตรงกับ TTL IC (ซึ่งไม่จำเป็นต้องแปลงระดับเพิ่มเติม) ซีรีย์เหล่านี้มีความแตกต่างในการใช้งานวงจรอินพุตและเอาท์พุตของไอซี ดังแสดงในรูปที่ 1 รูป 5.26 และสำหรับซีรีย์ IC ในรูป ในรูป 5.26, b - สำหรับซีรีย์ IC ในรูปที่ 1 ในรูป 5.27 - สำหรับซีรีย์ IC และในรูป. 5.28 - สำหรับซีรีย์ IC เกณฑ์การสลับสำหรับซีรีย์ IC อยู่ระหว่าง และสำหรับซีรีย์ IC เกณฑ์การสลับจะเท่ากับข้อกำหนดสำหรับระดับสัญญาณอินพุตที่ระบุโดยความไม่เท่าเทียมกัน
ภูมิคุ้มกันทางเสียงของซีรีย์ IC แสดงไว้ในตารางที่ 1 5.11 ซึ่งจะเห็นได้ว่าสูงกว่าซีรีย์ TTL อย่างมีนัยสำคัญ (ดูตาราง 5.5) ค่าจำกัดของพารามิเตอร์ของไอซีของซีรีย์เหล่านี้แสดงอยู่ในตาราง 5.12 และสภาวะการทำงานที่แนะนำ
(ดูการสแกน)
ในตาราง 5.13.
วงจรรวมของซีรีย์ CMOS ที่มีตัวเลขเท่ากัน (สำหรับไอซีต่างประเทศ) หรือมีการกำหนดตัวอักษรและตัวเลขเหมือนกัน (สำหรับไอซีในประเทศแยกออกเป็นกลุ่มซีรีย์ 176/561/564/1561 และ 1564/1554) ทำหน้าที่เหมือนกันและตรงกัน เค้าโครงของหมุดภายนอก ในอนาคต ในภาพวาดสำหรับไอซีซีรีส์ CMOS จะมีการระบุชื่อของไอซีของซีรีส์เฉพาะเพียงซีรีส์เดียว แม้ว่าไอซีที่คล้ายกันอาจอยู่ในซีรีส์อื่นก็ตาม
ข้าว. 5.29 (ดูการสแกน)
ในรูป 5.29 แสดง LE AND-NOT, AND, NOT, OR-NOT และผลรวมแบบโมดูโล 2 ที่ผลิตโดยอุตสาหกรรมในประเทศ สัญลักษณ์กราฟิกระบุจำนวนอะนาล็อกของไอซีต่างประเทศ องค์ประกอบลอจิกของซีรีส์ 176 แสดงในรูปที่ 1 5.30. แอปพลิเคชันถูกกล่าวถึงข้างต้นเมื่ออธิบายอะนาล็อกต่างประเทศ: คู่ทรานซิสเตอร์เสริม, G - เกต, ท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์ p-channel และ n-channel, แหล่งที่มา SP และ SN
(คลิกเพื่อดูภาพสแกน)
ทรานซิสเตอร์ p-channel และ n-channel) LE ต่างประเทศซึ่งปัจจุบันไม่มีระบบอะนาล็อกในประเทศแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.31 และ 5.32
ข้าว. 5.32 (ดูการสแกน)
พารามิเตอร์ของ IC ซีรีส์ CMOS ได้รับในตารางที่ 1 และในตาราง A2.3 - พารามิเตอร์ของไอซีซีรีส์ 4000 ซึ่งควรนำมาพิจารณาเป็นหลักเมื่อออกแบบอุปกรณ์ดิจิทัลและไมโครโปรเซสเซอร์ พารามิเตอร์ของซีรีย์ IC ในประเทศ 176, 561 และ 1561 สามารถพบได้ในหนังสืออ้างอิงและซีรีย์ IC 1554 - นิ้ว มีข้อมูลอ้างอิงที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับไอซีซีรีส์ CMOS อยู่ที่
วงจรรวมของซีรีส์ 54.AC11000/74.AC11000
เพื่อลดระดับเสียงรบกวนในไอซี CMOS ความเร็วสูงที่เกิดขึ้นเมื่อเปลี่ยน LE ควรใช้ตำแหน่งตรงกลางของพินไฟบน
ชิปและเอาต์พุต IC ควรอยู่ที่ด้านข้างซึ่งเป็นที่ตั้งของพินเพาเวอร์ทั่วไป (GND) บริษัทได้เปิดตัวซีรีส์ที่ตัวเลข AND ระบุตำแหน่งศูนย์กลางของพินกำลังของ IC และตัวเลขระบุหมายเลขซีเรียลของ IC ดังที่แสดงในรูปที่ 1 5.33 แสดง LE ของซีรีย์เหล่านี้
วงจรรวมซีรีส์ SN54BCT/SN74BCT
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น IC ของซีรีส์เหล่านี้ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี BiMOS วงจรอินพุตของไอซีถูกสร้างขึ้นตามวงจรที่แสดงในรูปที่ 1 ตามเวอร์ชัน 5.34a ซึ่งทำให้อินพุตของไอซีเหล่านี้เข้ากันได้กับระดับสัญญาณอินพุต TTL
ระบบไมโครโปรเซสเซอร์ใช้ไดรเวอร์บัสและตัวรับส่งสัญญาณจำนวนมาก และในเวลาใดก็ตามตัวรับส่งสัญญาณหรือไดรเวอร์ของอุปกรณ์ภายนอกเพียงอุปกรณ์เดียวเท่านั้นที่อยู่ในสถานะแอ็คทีฟ และส่วนที่เหลือจะอยู่ในสถานะ Z ไดรเวอร์และตัวรับส่งสัญญาณที่ใช้เทคโนโลยี TTL ใช้กระแสในสถานะ Z ของเอาต์พุตในลำดับเดียวกันกับในสถานะแอ็กทีฟของเอาต์พุต แม้ว่าจะไม่ได้ทำงานที่มีประโยชน์ส่วนใหญ่ก็ตาม
เป้าหมายหลักของการพัฒนา BiMOS IC คือการลดการใช้กระแสไฟในสถานะ Z ของเอาต์พุต IC ลงอย่างมากสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ภายนอกของระบบไมโครโปรเซสเซอร์ ในรูป แสดงวงจร - สถานะของเอาท์พุตที่ทำโดยใช้เทคโนโลยี BiMOS, วงจรอินพุทดังแสดงในรูป. 5.34,ก)
อินพุต IC ที่ไม่ได้ใช้
เมื่อออกแบบอุปกรณ์ดิจิทัลบนไอซี อาจใช้อินพุตบางส่วนไม่ได้ ตามตรรกะการทำงานของอุปกรณ์ที่กำลังพัฒนา ควรใช้ลอจิกระดับ 0 หรือระดับ 1 กับอินพุตเหล่านี้ ลอจิกระดับ 0 ทั้งใน TTL และ CMOS IC จะได้รับจากการเชื่อมต่ออินพุตที่ไม่ได้ใช้เข้ากับเคส ไปยังอินพุตที่ไม่ได้ใช้โดยเชื่อมต่อเข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (TTL IC) หรือ (CMOS IC) อย่างไรก็ตาม แนะนำให้เชื่อมต่ออินพุตของ TTL IC ซีรีส์ 54/74 ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวปล่อยสัญญาณเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ ผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อป้องกันแรงดันไฟกระชากที่เกิดขึ้น เช่น เมื่อเปิดเครื่อง
CMOS (โครงสร้างเสริมโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) เป็นเทคโนโลยีสำหรับการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในกรณีทั่วไป - CMDC (พร้อมโครงสร้างฉนวนโลหะ - เซมิคอนดักเตอร์) คุณสมบัติที่โดดเด่นของวงจร CMOS เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีไบโพลาร์ (TTL, ESL ฯลฯ ) คือการใช้พลังงานที่ต่ำมากในโหมดคงที่ (ในกรณีส่วนใหญ่สามารถสันนิษฐานได้ว่าพลังงานถูกใช้เฉพาะในระหว่างการเปลี่ยนสถานะเท่านั้น )
ชิปลอจิกสมัยใหม่ส่วนใหญ่ รวมถึงโปรเซสเซอร์ ใช้วงจร CMOS เทคโนโลยี CMOS ใช้ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์เกตแบบหุ้มฉนวนพร้อมช่องสัญญาณที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน
ในอุปกรณ์ที่ใช้ชิป CMOS มาตรการป้องกันการตีกลับที่ทราบจากประสบการณ์กับชิป TTL นั้นค่อนข้างใช้ได้ เช่น การเปิดทริกเกอร์แบบคงที่บนองค์ประกอบ NAND หรือ NOR สองตัว อย่างไรก็ตาม อิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงมากของชิป CMOS (ตามลำดับหลายร้อยหลายพันเมกะโอห์ม) และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่ค่อนข้างสูง (หลายร้อยโอห์มถึงหนึ่งกิโลโอห์ม) ทำให้สามารถลดความซับซ้อนของวงจรดีเด้งได้โดยการกำจัดตัวต้านทาน ตัวแปรของวงจรคืออุปกรณ์ที่ประกอบขึ้นโดยใช้องค์ประกอบลอจิกที่ไม่กลับด้านเพียงองค์ประกอบเดียว
ต่อไปนี้ควรกล่าวถึงองค์ประกอบลอจิกที่ไม่กลับด้านของซีรีส์ CMOS องค์ประกอบลอจิกส่วนใหญ่ในชุดข้อมูลเหล่านี้กำลังกลับด้าน ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ไมโครวงจรที่มีตัวอักษร "PU" ในการกำหนดทำหน้าที่จับคู่ไมโครวงจร CMOS กับไมโครวงจร TTL ด้วยเหตุนี้ กระแสไฟขาออกเมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับเอาต์พุตหรือเอาต์พุตเชื่อมต่อกับสายไฟทั่วไปในอุปกรณ์ตามวงจร สามารถเข้าถึงหลายสิบมิลลิแอมป์ ซึ่งส่งผลเสียต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์และสามารถให้บริการได้ เป็นแหล่งรบกวนอันทรงพลัง ความต้านทานอินพุตสูงของวงจรไมโคร CMOS ช่วยให้ในบางกรณีสามารถดำเนินการได้โดยไม่ต้องมีองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่สำหรับการดีดกลับเลย
ซีรีย์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือซีรีย์ที่สร้างบนทรานซิสเตอร์ MOS เสริม (CMOS) (K176, K564 ฯลฯ ) พวกเขาไม่มีตัวต้านทานโหลดและทรานซิสเตอร์ MOS ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกันของช่องทำหน้าที่เป็นสวิตช์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกตมากกว่าเกณฑ์ สำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณบางประเภท ทรานซิสเตอร์ที่เกี่ยวข้องจะถูกปลดล็อคและอีกช่องจะถูกล็อค ที่ค่าอื่นที่มากกว่าค่าเกณฑ์สำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าของประเภทตรงกันข้าม ทรานซิสเตอร์ที่ปลดล็อคและล็อคจะเปลี่ยนไป โครงสร้างดังกล่าวทำงานได้สำเร็จเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแปรผันในช่วงกว้าง (ตั้งแต่ 3 ถึง 15 V) ซึ่งไม่สามารถบรรลุได้สำหรับองค์ประกอบลอจิกที่มีตัวต้านทาน ในโหมดคงที่ซึ่งมีความต้านทานโหลดสูง องค์ประกอบลอจิก CMOS จะไม่ใช้พลังงานเลย
มีลักษณะเฉพาะด้วย: ความเสถียรของระดับสัญญาณอินพุตและความแตกต่างเล็กน้อยจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน ความต้านทานอินพุตสูงและเอาต์พุตต่ำ ภูมิคุ้มกันเสียงที่ดี ความสะดวกในการประสานงานกับวงจรไมโครของซีรีย์อื่น
ลอจิกเกต CMOS ทำหน้าที่ 3 NAND มันใช้ทรานซิสเตอร์ช่องสัญญาณเหนี่ยวนำ ทรานซิสเตอร์ VT1-VT3 มีช่องประเภท - และจะเปิดเมื่อแรงดันเกตใกล้กับศูนย์ ทรานซิสเตอร์มีช่อง -type และเปิดที่แรงดันเกตที่มากกว่าค่าเกณฑ์
เมื่อมีสัญญาณอินพุตเป็นศูนย์อย่างน้อยหนึ่งอินพุตขององค์ประกอบลอจิคัล ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งจะเปิดขึ้นและแรงดันเอาต์พุตเท่ากับ E และเฉพาะในกรณีที่มีสัญญาณลอจิคัลหนึ่งสัญญาณที่อินพุตทั้งหมด (ปกติจะเท่ากับ E) ทรานซิสเตอร์ทั้งหมด VT1 ถูกปิดและทรานซิสเตอร์ที่เปิดอยู่จะเปิดอยู่ แรงดันไฟขาออกเท่ากับศักย์บัสทั่วไป (โลจิคัล 0) ดังนั้นการรวมกันของการเชื่อมต่อแบบฉัตรของทรานซิสเตอร์กับช่องที่มีค่าการนำไฟฟ้าประเภทหนึ่งและการเชื่อมต่อแบบขนานของทรานซิสเตอร์กับช่องสัญญาณที่มีค่าการนำไฟฟ้าประเภทอื่นทำให้สามารถใช้ฟังก์ชัน NAND ได้
หากมีการสลับกลุ่มของทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบฉัตรและแบบขนาน องค์ประกอบที่ทำหน้าที่จะถูกรับรู้ มันทำงานคล้ายกับอันก่อนหน้า ทรานซิสเตอร์จะเปิดถ้าประตูเป็นตรรกะ 1 และจะถูกล็อคเมื่อสัญญาณอินพุตเป็นตรรกะ 0
จากวงจรที่พิจารณา เป็นที่ชัดเจนว่าในโหมดคงที่ ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะถูกปิดเสมอและอีกตัวหนึ่งเปิดอยู่ เนื่องจากทรานซิสเตอร์แบบปิดมีความต้านทานสูง กระแสไฟฟ้าในวงจรจึงถูกกำหนดโดยค่ากระแสรั่วไหลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และไมโครวงจรจึงไม่ใช้พลังงานไฟฟ้าเลย
โดยปกติจะใช้วงจรเป็นอินเวอร์เตอร์พื้นฐานที่ติดตั้งที่อินพุต LE เพื่อป้องกันการพังทลายของฟิล์มออกไซด์ใต้ประตูของทรานซิสเตอร์ MOS วงจรอินเวอร์เตอร์มักจะเสริมด้วยไดโอดที่ทำหน้าที่ป้องกัน ค่าคงที่เวลาของส่วนประกอบเหล่านี้คือประมาณ 10 ns ดังนั้นการแนะนำจึงไม่เปลี่ยนลักษณะไดนามิกขององค์ประกอบลอจิกอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อแรงดันไฟฟ้าคงที่ของขั้วหนึ่งหรืออีกขั้วหนึ่งเข้าสู่วงจรอินพุต ไดโอดที่เกี่ยวข้องจะเปิดและลัดวงจรแหล่งกำเนิดประจุไฟฟ้าสถิตไปยังวงจรจ่ายไฟ ตัวต้านทานซึ่งเมื่อรวมกับความจุของกั้นของไดโอดจะสร้างวงจรรวมจะช่วยลดอัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่เกตเป็นค่าที่ไดโอด VD2, VD3 มีเวลาเปิด
หากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ามีความต้านทานภายในต่ำ กระแสไปข้างหน้าขนาดใหญ่จะไหลผ่านไดโอด ดังนั้นเมื่อเปิดอุปกรณ์ที่มีองค์ประกอบลอจิกดังกล่าวจะต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าก่อนสัญญาณอินพุตและเมื่อปิดเครื่องในทางกลับกัน ในกรณีที่สามารถยอมรับการลดประสิทธิภาพลงได้ สามารถรวมตัวต้านทานไว้ในวงจรอินพุตเพื่อจำกัดระดับกระแสอินพุตได้
ในวงจรขนาดเล็กจำนวนหนึ่ง เพื่อเพิ่มความชันของฟังก์ชันถ่ายโอนและเพิ่มความสามารถในการโหลด อินเวอร์เตอร์เพิ่มเติมหนึ่งหรือสองตัวจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ขององค์ประกอบลอจิก ทรานซิสเตอร์ของอินเวอร์เตอร์เพิ่มเติมมีกำลังเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ความต้านทานของช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์เอาต์พุตแบบเปิดของอินเวอร์เตอร์จึงลดลงจาก kOhm เป็น kOhm ค่าความต้านทานเอาต์พุตเหล่านี้ทำให้ไม่สามารถแนะนำตัวต้านทานจำกัดกระแสในวงจรเอาต์พุตเพื่อป้องกันการลัดวงจรที่เอาต์พุต
ในองค์ประกอบลอจิก CMOS องค์ประกอบที่มีสถานะเสถียรสามสถานะจะถูกนำไปใช้อย่างง่ายดายอย่างยิ่ง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ทรานซิสเตอร์เสริมสองตัวที่ควบคุมโดยสัญญาณผกผันจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับทรานซิสเตอร์อินเวอร์เตอร์ หากทรานซิสเตอร์ปิดอยู่เมื่อมีการจ่ายสัญญาณ ความต้านทานเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะสูง (อินเวอร์เตอร์อยู่ในสถานะอิมพีแดนซ์สูงที่สาม)
สถานะที่สามมีอยู่ในไมโครวงจรแต่ละตัวเช่นในองค์ประกอบลอจิกของประเภทตลอดจนในหน่วยการทำงานที่ซับซ้อนของซีรีย์ CMOS
การจับคู่องค์ประกอบลอจิก TTL กับองค์ประกอบลอจิก CMOS สามารถทำได้หลายวิธี:
1) องค์ประกอบลอจิก CMOS กำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำซึ่งองค์ประกอบลอจิก TTL จะส่งสัญญาณสวิตช์ทรานซิสเตอร์ขององค์ประกอบลอจิก CMOS
2) ใช้องค์ประกอบลอจิก TTL กับตัวสะสมแบบเปิดวงจรเอาต์พุตซึ่งรวมถึงตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม
3) ใช้วงจรไมโครคอนเวอร์เตอร์ระดับเมื่อจับคู่ซีรีย์ CMOS กับซีรีย์ TTL และเมื่อจับคู่ซีรีย์ TTL กับซีรีย์ CMOS)
หากจำเป็นต้องเพิ่มกำลังขับ อนุญาตให้เชื่อมต่อแบบขนานของวงจรไมโครหลายตัวได้ เพื่อป้องกันการรบกวนในวงจรไฟฟ้า ตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่มีความจุและตัวเก็บประจุเซรามิกแบบขนานที่มีความจุต่อกล่องจะเชื่อมต่อระหว่างพาวเวอร์บัส หลังเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตของวงจรไมโคร โดยทั่วไปความจุไฟฟ้าไม่ควรเกิน ถ้าความจุโหลดมากขึ้น ตัวต้านทานเพิ่มเติมจะถูกติดตั้งแบบอนุกรมพร้อมกับเอาท์พุต เพื่อจำกัดกระแสดิสชาร์จเกิน หากมีแรงดันไฟกระชากในสัญญาณอินพุต คุณสามารถเชื่อมต่อตัวต้านทานจำกัดที่มีค่าระบุสูงถึง 10 kOhm แบบอนุกรมโดยใช้อินพุต LE ได้ อินพุต LE ที่ไม่ได้ใช้ต้องเชื่อมต่อกับบัสจ่ายไฟ หรือเชื่อมต่อแบบขนานกับอินพุตที่เชื่อมต่ออยู่ มิฉะนั้นอาจเกิดการพังทลายของอิเล็กทริกใต้ประตูและการทำงานผิดพลาดเนื่องจากอิทธิพลของการรบกวนที่รุนแรง
อนุญาตให้ลัดวงจรขั้วเอาท์พุทของวงจรไมโครได้ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ
ระหว่างจัดเก็บและติดตั้งควรระวังไฟฟ้าสถิตย์ ดังนั้นระหว่างการจัดเก็บ ขั้วต่อจึงเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้า การติดตั้งจะดำเนินการโดยปิดแรงดันไฟฟ้าและจำเป็นต้องใช้กำไลโดยให้ช่างไฟฟ้าเชื่อมต่อกับพื้น
องค์ประกอบลอจิกซีรีส์ CMOS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างอุปกรณ์ดิจิทัลราคาประหยัดที่มีความเร็วต่ำและปานกลาง ในอนาคต เมื่อเทคโนโลยีการผลิตได้รับการปรับปรุง พวกเขาสามารถแข่งขันกับองค์ประกอบลอจิก TTL เมื่อสร้างอุปกรณ์ความเร็วสูงได้
โดยทั่วไป เมื่อออกแบบโพรบและเครื่องสอบเทียบ เครื่องกำเนิดพัลส์แบบสั้นจะใช้เพื่อสร้างสัญญาณที่มีสเปกตรัมกว้างและสม่ำเสมอ สัญญาณดังกล่าวช่วยให้คุณตรวจสอบอุปกรณ์วิทยุทั้งความถี่ต่ำ (LF) และความถี่สูง (HF) ได้อย่างรวดเร็ว ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งระยะเวลาพัลส์สั้นลงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น - สเปกตรัมจะกว้างขึ้นและสม่ำเสมอมากขึ้น
ตามกฎแล้ว เครื่องกำเนิดดังกล่าวประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสองส่วน: ตัวกำเนิดพัลส์สี่เหลี่ยมและตัวสร้างพัลส์แบบสั้น ในขณะเดียวกันคุณสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้ไดรเวอร์พิเศษเนื่องจากมีอยู่แล้วในองค์ประกอบลอจิคัลของไมโครวงจรโครงสร้าง CMOS
ลองดูที่แผนภาพ
รูปที่ 4 - เครื่องกำเนิด RC
รูปที่ 4 แสดงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า RC ที่รู้จักกันดีซึ่งทำงานในกรณีนี้ที่ความถี่ประมาณ 1,000 Hz (ขึ้นอยู่กับพิกัดของชิ้นส่วน R1, C1) สัญญาณสี่เหลี่ยมความถี่ต่ำถูกส่งมาจากเอาต์พุตขององค์ประกอบ DD1.2 (พิน 4) ผ่านสายโซ่ R2C3 ไปยังตัวต้านทานตัวแปร R4 - ควบคุมความกว้างของสัญญาณที่จ่ายให้กับหน่วยที่กำลังทดสอบได้อย่างราบรื่น
เอาต์พุตของสัญญาณความถี่สูง (พัลส์สั้น) นั้นค่อนข้างผิดปกติ - สัญญาณจะถูกลบออกจากตัวต้านทานตัวแปร R3 ซึ่งเชื่อมต่อกับวงจรกำลังของไมโครวงจร ด้วยการเลื่อนแถบเลื่อนของตัวต้านทานนี้ ระดับของสัญญาณความถี่สูงเอาท์พุตจะถูกปรับระดับได้อย่างราบรื่น
ลองพิจารณาหลักการทำงานของไดรเวอร์ดังกล่าวโดยใช้แผนภาพแบบง่ายขององค์ประกอบลอจิคัลของโครงสร้าง CMOS ที่แสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 - แผนภาพแบบง่ายของโครงสร้างเกต CMOS
พื้นฐานของมันคือทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามสองตัวที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยมีประตูหุ้มฉนวนและค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณประเภทต่างๆ หากตัวต้านทาน R1 เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับทรานซิสเตอร์ และพัลส์สี่เหลี่ยม U1 ถูกนำไปใช้กับอินพุตขององค์ประกอบ สิ่งต่อไปนี้จะเกิดขึ้น (รูปที่ 3) เนื่องจากความจริงที่ว่าระยะเวลาของพัลส์ด้านหน้าไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุดได้เช่นเดียวกับความเฉื่อยของทรานซิสเตอร์ในขณะที่ด้านหน้าทำหน้าที่ ช่วงเวลาหนึ่งจะมาถึงเมื่อทรานซิสเตอร์ทั้งสองจะอยู่ในสถานะเปิด สิ่งที่เรียกว่ากระแสผ่านจะไหลผ่านซึ่งค่าอาจมีตั้งแต่หน่วยถึงสิบมิลลิแอมป์ขึ้นอยู่กับประเภทของไมโครวงจรและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน พัลส์แรงดันไฟฟ้าสั้น U2 จะถูกสร้างขึ้นทั่วตัวต้านทาน อีกทั้งทั้งในยุคหน้าและภาวะถดถอย
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความถี่ของพัลส์ดั้งเดิมจะเพิ่มเป็นสองเท่า
ความต้านทานของตัวต้านทานไม่ควรสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของโหมดการทำงานของส่วนประกอบไมโครวงจร ซึ่งหมายความว่าโหลดอิมพีแดนซ์ต่ำที่มีความต้านทาน 50...75 โอห์มสามารถเชื่อมต่อกับเอาต์พุตความถี่สูงได้
สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่พิจารณา แอมพลิจูดสูงสุดของพัลส์ที่เอาต์พุตความถี่สูงคือ 100...150 mV และกระแสไฟฟ้าที่ใช้จากแหล่งพลังงานไม่เกิน 1.6 mA เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ทดสอบเครื่องขยายสัญญาณ AF, ลำโพงสามโปรแกรม และเครื่องรับวิทยุบนแถบความถี่ LW และ MW
โครงสร้างซีมอส
ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งมีการไหลของตัวพาประจุหลักไหลผ่าน ซึ่งควบคุมโดยสนามไฟฟ้าตามขวาง ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างเกตและท่อระบายน้ำหรือระหว่างเกตและแหล่งกำเนิด
เนื่องจากหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามนั้นขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของพาหะประจุหลักประเภทเดียวกัน (อิเล็กตรอนหรือรู) อุปกรณ์ดังกล่าวจึงถูกเรียกว่า unipolar ดังนั้นจึงตรงกันข้ามกับอุปกรณ์แบบไบโพลาร์
ทรานซิสเตอร์สนามผลถูกจำแนกเป็นอุปกรณ์ที่มีทางแยก p-n ควบคุมและมีประตูหุ้มฉนวนที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์ MOS (โลหะ - อิเล็กทริก - เซมิคอนดักเตอร์) ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์ MOS (โลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์) และอย่างหลัง แบ่งออกเป็นทรานซิสเตอร์ที่มีช่องสัญญาณในตัวและอุปกรณ์ที่มีช่องสัญญาณเหนี่ยวนำ
พารามิเตอร์หลักของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม ได้แก่ ความต้านทานอินพุต ความต้านทานภายในของทรานซิสเตอร์ หรือที่เรียกว่าเอาต์พุต ความชันของคุณลักษณะเดรนเกต แรงดันไฟตัด และอื่นๆ
ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กที่มีจุดเชื่อมต่อ p-n ควบคุมคือทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กซึ่งแผ่นเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ชนิด n มีอิเล็กโทรด (เดรนและแหล่งกำเนิด) ที่ปลายตรงข้ามกัน โดยมีการเชื่อมต่อเข้ากับขั้วควบคุมที่ควบคุม วงจร วงจรควบคุมเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดตัวที่สาม (เกต) และถูกสร้างขึ้นจากพื้นที่ที่มีความนำไฟฟ้าประเภทอื่น ในกรณีนี้คือประเภท p
แหล่งพลังงานที่รวมอยู่ในวงจรอินพุตจะสร้างแรงดันย้อนกลับที่จุดเชื่อมต่อ p-n เดียว แหล่งกำเนิดของการสั่นแบบขยายจะรวมอยู่ในวงจรอินพุตด้วย เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตเปลี่ยนแปลง แรงดันย้อนกลับที่ทางแยก p-n จะเปลี่ยนไป ดังนั้นความหนาของชั้นพร่อง (n-channel) จึงเปลี่ยนแปลงไป นั่นคือพื้นที่หน้าตัดของภูมิภาคที่การไหลของกระแสหลักผ่าน ผู้ให้บริการชาร์จผ่าน บริเวณนี้เรียกว่าช่อง
คุณลักษณะที่โดดเด่นของโครงสร้าง CMOS เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้าง MOS อื่นๆ (N-MOS, P-MOS) คือการมีอยู่ของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามทั้ง n- และ p-channel; ส่งผลให้วงจร CMOS มีความเร็วในการทำงานสูงขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง แต่ในขณะเดียวกัน วงจร CMOS ก็มีคุณลักษณะเฉพาะด้วยกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนมากขึ้นและความหนาแน่นของบรรจุภัณฑ์ลดลง
ระดับลอจิกของวงจรไมโคร CMOS ที่มีแหล่งจ่ายไฟห้าโวลต์จะแสดงในรูปที่ 9
ขีดจำกัดของศูนย์โลจิคัลและหนึ่งระดับสำหรับไมโครวงจร CMOS ที่มีแหล่งจ่ายไฟห้าโวลต์จะแสดงในรูปที่ 1 10.
ข้าว. 10. ระดับสัญญาณลอจิกที่อินพุตของไมโครวงจร CMOS ดิจิตอล
จากรูปที่ 10 จะเห็นได้ว่าระยะขอบของระดับการตอบสนองเพื่อให้แน่ใจว่าภูมิคุ้มกันสัญญาณรบกวนสำหรับ CMOS นั้นมากกว่า 1.1 V ซึ่งมากกว่า TTL เกือบสามเท่า
เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟลดลง ขอบเขตของศูนย์ลอจิคัลและโลจิคัลหนึ่งจะเปลี่ยนตามสัดส่วนการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ
ตระกูลชิป CMOS
ชิป CMOS ตัวแรกไม่มีไดโอดป้องกันที่อินพุต ดังนั้นการติดตั้งจึงทำให้เกิดปัญหาอย่างมาก นี่คือตระกูลชิปซีรีส์ K172 ชิปซีรีส์ K176 ที่ได้รับการปรับปรุงถัดไปได้รับไดโอดป้องกันเหล่านี้ มันเป็นเรื่องธรรมดามากในปัจจุบัน ซีรี่ส์ K1561 (อะนาล็อกต่างประเทศของไมโครวงจรเหล่านี้คือ C4000B) เสร็จสิ้นการพัฒนาไมโครวงจร CMOS รุ่นแรก ในตระกูลนี้ มีความเร็ว 90ns และช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ 3..15V
การพัฒนาไมโครวงจร CMOS เพิ่มเติมคือซีรี่ส์ SN74HC วงจรไมโครเหล่านี้ไม่มีอะนาล็อกในประเทศ มีความเร็ว 27ns และทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้า 2..6V พวกเขาตรงกันใน pinout และช่วงการทำงานกับไมโครวงจร TTL แต่เข้ากันไม่ได้ในระดับตรรกะดังนั้นในเวลาเดียวกันไมโครวงจรของซีรีย์ SN74HCT (อะนาล็อกในประเทศ - K1564) เข้ากันได้กับไมโครวงจร TTL และในระดับตรรกะ ที่พัฒนา.
ในเวลานี้มีการเปลี่ยนแปลงไปใช้แหล่งจ่ายไฟแบบ 3 โวลต์ ชิป SN74ALVC ที่มีเวลาหน่วงของสัญญาณ 5.5ns และช่วงกำลัง 1.65..3.6V ได้รับการพัฒนาขึ้นมาสำหรับชิปนี้ ไมโครวงจรเดียวกันเหล่านี้สามารถทำงานกับแหล่งจ่ายไฟ 2.5 โวลต์ได้ เวลาหน่วงของสัญญาณเพิ่มขึ้นเป็น 9ns
ตระกูลไมโครวงจร CMOS ที่มีแนวโน้มมากที่สุดถือเป็นตระกูล SN74AUC โดยมีเวลาหน่วงของสัญญาณ 1.9ns และช่วงพลังงาน 0.8..2.7V
ชิปดิจิทัลของลอจิกคู่ตัวส่งสัญญาณ ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับ ESL imms
วงจรรวมที่ใช้ลอจิกคู่ปล่อย (ECL) ได้กลายเป็นฐานองค์ประกอบสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ความเร็วสูงอย่างกว้างขวาง วงจรไมโครที่ใช้ ESL มีข้อดีหลายประการที่ทำให้ได้เปรียบเหนือวงจรไมโครอื่น ๆ ในการสร้างอุปกรณ์ประเภทนี้:
1. วงจรที่ดีและครบกำหนดทางเทคนิค ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตค่อนข้างต่ำ
ประสิทธิภาพสูงโดยสิ้นเปลืองพลังงานโดยเฉลี่ย หรือประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษโดยสิ้นเปลืองพลังงานสูง
พลังงานสวิตชิ่งต่ำ
ภูมิคุ้มกันเสียงสัมพัทธ์สูง
ความเสถียรสูงของพารามิเตอร์ไดนามิกเมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิการทำงานและแรงดันไฟฟ้า
ความสามารถในการรับน้ำหนักมาก
ความเป็นอิสระของการใช้กระแสไฟฟ้าจากการสลับความถี่
ความสามารถของไอซีในการทำงานกับสายสื่อสารและโหลดที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ
ชุดไมโครวงจรการทำงานที่หลากหลาย
10. ใช้งานง่ายในสภาพเค้าโครงที่มีความหนาแน่นสูงโดยใช้สายไฟที่พิมพ์หลายชั้นและสายโคแอกเชียลและสายแบนที่มีความต้านทานต่ำ
ปัจจุบัน ESL IC เป็นวงจรไมโครที่ใช้ซิลิคอนที่เร็วที่สุดที่ผลิตโดยอุตสาหกรรมทั้งในประเทศของเราและต่างประเทศ ประสบการณ์ในการออกแบบอุปกรณ์แสดงให้เห็นว่าการใช้ ESL IC เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างอุปกรณ์วิทยุอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง และมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการพัฒนาอุปกรณ์วิทยุอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วต่ำและปานกลาง
ประสิทธิภาพสูงนั้นเกิดจากการที่ทรานซิสเตอร์ในองค์ประกอบเหล่านี้ทำงานในโหมดไม่อิ่มตัวซึ่งเป็นผลมาจากการที่การสะสมและการสลายของพาหะประจุส่วนน้อยถูกกำจัด
ตามโครงสร้าง องค์ประกอบพื้นฐานของ ESL ประกอบด้วย: แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง (VS) สวิตช์กระแส (TS) และผู้ติดตามตัวปล่อย
สวิตช์กระแสอินพุตจะขึ้นอยู่กับวงจรที่มีตัวปล่อยรวม (รูปที่ 11) ข้อได้เปรียบหลัก: ความคงที่ของกระแสตัวปล่อยทั้งหมด / e = 1 เอ่อ 1 + ฉัน e2 อยู่ในกระบวนการทำงาน ความพร้อมใช้งานของเอาต์พุตตรงและผกผัน คุณออก1, คุณเอาท์พุท2 .
ข้าว. 11. องค์ประกอบตรรกะพื้นฐาน ESL
ไมโครวงจร ESL ดิจิทัลสมัยใหม่ประกอบด้วย IC ซีรี่ส์ 100, K100, 500, K500, 1500, KI500
เวลาหน่วงโดยทั่วไปขององค์ประกอบลอจิคัลของ IC ซีรีส์ K1550 คือ 0.7 ns, ซีรีส์ K500 0.5...2 ns; ซีรีย์ 138 2.9ns. วงจรไมโคร ESL มีการป้องกันเสียงรบกวนสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำและสูงอย่างน้อย 125 mV และ 150 mV การแพร่กระจายแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตระดับต่ำคือ 145...150 mV ระดับสูงคือ 200 mV แอมพลิจูดของสัญญาณลอจิก คุณ ล สูงถึง 800 มิลลิโวลต์ ในซีรีส์ IC 500 ระดับการรวมเป็นองค์ประกอบลอจิกสูงสุด 80 รายการบนชิป ชุดการทำงานของวงจรไมโคร - การดัดแปลง 48 รายการ, พลังงานที่ใช้โดยองค์ประกอบ P pot = 8...25 mW (ในสถานะไม่โหลด), พลังงานที่ใช้เมื่อเปลี่ยน A = 50 pJ
องค์ประกอบลอจิกพื้นฐานของ K500 IC เนื่องจากมีเอาต์พุตตรงและผกผันจึงทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน: หรือไม่และ หรือ- ในตรรกะเชิงลบ ฟังก์ชันจะถูกดำเนินการ ใช่/ไม่ใช่-ไม่ใช่วงจรไฟฟ้าขององค์ประกอบ ESL พื้นฐานประกอบด้วยสามวงจร (รูปที่ 12): สวิตช์กระแส (TS) ตัวติดตามตัวปล่อยเอาต์พุต (EF) และแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง (RP)
สวิตช์ปัจจุบันสร้างขึ้นจากทรานซิสเตอร์ เวอร์มอนต์ 1- เวอร์มอนต์5 และตัวต้านทาน ร1- ร7 และเป็นดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ที่ทำงานในโหมดคีย์และมีหลายอินพุต การเพิ่มจำนวนอินพุต TP ทำได้โดยการเชื่อมต่อแบบขนานของทรานซิสเตอร์อินพุตเพิ่มเติม เวอร์มอนต์ 1- เวอร์มอนต์ 4.
LE พื้นฐานทำงานดังนี้ เมื่อนำไปใช้กับอินพุตทั้งหมดของวงจร จิน- เอ็กซ์4 ทรานซิสเตอร์อินพุตแรงดันไฟฟ้าระดับต่ำ (-1.7 V) เวอร์มอนต์1- เวอร์มอนต์4 ปิด, ทรานซิสเตอร์ เวอร์มอนต์5 เปิดเพราะแรงดันที่ฐาน คุณอพ = -1.3 V ด้านบน
การใช้พลังงานและการกระจายพลังงานขนาดใหญ่เป็นข้อเสียของวงจรไมโคร ESL ซึ่งเป็นผลมาจากการทำงานในโหมดไม่อิ่มตัว ในด้านหนึ่งค่าดิฟเฟอเรนเชียลเล็กๆ น้อยๆ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ และในทางกลับกัน จะลดภูมิคุ้มกันทางเสียง
