ВСТУП

Давайте поговоримо про характеристики ідеального сімейства логічних мікросхем. Вони не повинні розсіювати потужність, мати нульову затримку поширення сигналу, керовані часи наростання і спаду сигналу, а також мати стійкість, еквівалентну 50% розмаху вихідного сигналу.
Параметри сучасних сімейств КМОП-мікросхем (комплементарних МОП) наближаються до цих ідеальним характеристикам.
По-перше, КМОП-мікросхеми розсіюють малу потужність. Типове значення статичної розсіюваною потужності становить близько 10 НВ на один вентиль, яка утворюється струмами витоку. Активна (або динамічна) розсіває потужність залежить від напруги джерела живлення, частоти, вихідний навантаження і часу наростання вхідного сигналу, але її типове значення для одного вентиля при частоті 1 МГц і навантаженні ємністю 50 пФ не перевищує 10 мВт.
По-друге, час затримки поширення сигналу в КМОП-вентилях хоча і не дорівнює нулю, але досить мало. Залежно від напруги джерела живлення, затримка поширення сигналу для типового елемента знаходиться в діапазоні від 25 до 50 нс.
По-третє, часи наростання і спаду контрольовані, і являють собою швидше лінійні, ніж ступінчасті функції. Зазвичай часи наростання і спаду мають на 20-40% більші значення, ніж час затримки поширення сигналу.
І, нарешті, типове значення завадостійкості наближається до 50% і становить приблизно 45% від амплітуди вихідного сигналу.
Ще одним важливим чинником, що свідчить на користь КМОП-мікросхем, є їх низька ціна, особливо при використанні в портативному обладнанні, що живиться від малопотужних батарей.
Джерела живлення, в системах, побудованих на КМОП-мікросхемах, можуть бути малопотужними, і, як наслідок, недорогими. Завдяки малій споживаної потужності, підсистема харчування може бути простіше, а значить дешевше. У радіаторах і вентиляторах немає необхідності, завдяки низькій потужності, що розсіюється. Безперервне вдосконалення технологічних процесів, а також збільшення обсягів виробництва і розширення асортименту КМОП-мікросхем призводить до зниження їх вартості.
Існує безліч серій логічних мікросхем КМОП-структури. Першою з них була серія К176, далі К561 (CD4000AN) і КР1561 (CD4000BN), але найбільший розвиток функціональні ряди отримали в серіях КР1554 (74ACxx), КР1564 (74HCxx) і КР1594 (74ACTxx).
Функціональні ряди сучасних КМОП-мікросхем серій КР1554, КР1564 і КР1594 містять повнофункціональні еквіваленти мікросхем ТТЛШ-серій КР1533 (74ALS) і К555 (74LS), які повністю збігаються як за виконуваними функціями, так і по розводці висновків (цоколевке). Сучасні КМОП-мікросхеми в порівнянні з їх прототипами, серіями К176 і К561, споживають значно меншу динамічну потужність і багаторазово перевершують їх за швидкодією.
Для спрощення схемотехнік, розроблені КМОП-серії з вхідним пороговим напругою ТТЛ-рівнів (КР1594 і деякі інші), так і КМОП-рівнів (КР1554, КР1564 і деякі інші). Діапазон робочих температур для мікросхем загального застосування знаходиться в межах -40- + 85С, і -55- + 125С -спеціального застосування. У табл. 1 наведено порівняння вхідних і вихідних характеристик КМОП і ТТЛШ-мікросхем.

Таблиця 1. Порівняння електричних параметрів КМОП і ТТЛШ-схем

ТЕХНОЛОГІЯ

КМОП з ПКК-затвором

Регул.

КМОП з ПКК-затвором

КМОП з Метали-ческім.-затвором

Стан-дротяні.

ТТЛ

Малопо-потроєнь-ющая ТТЛШ

Покращена Малопотреб-ляющая ТТЛШ

Швидко-дійства-ющая

ТТЛШ

серія

74HC

74AC

4000

SN74

SN74LS

SN74ALS

SN74AS

аналог

КР1564

КР1554

К561, КР1561

К155

К555

КР1533

КР1531

Power dissipation per gate (mW)

статична

0.0000025

0.00009

0.001

10

2

1

8.5

При частоті 100 кГц

0.17

0.006

0.1

10

2

1

8.5

Час затримки поширення

(Нс) (CL = 15 пФ)

8

3.7

105

10

10

4

1.5

Максимальна тактова частота

(МГц) (CL = 15 пФ)

40

130

12

35

40

70

200

Мінімальний вихідний струм (мА)

(VO = 0.4 В)

стандартні виходи

4

24

1.6

16

8

8

20

Виходи з підвищеною здатністю навантаження

6

36

1.6

48

24

24/48

48/64

Коефіцієнт розгалуження по виходу (Навантаження на на один вхід К555)

стандартні виходи

10

20

4

40

20

20

50

Виходи з підвищеною здатністю навантаження

15

20

4

120

60

60/120

120/160

Максимальний вхідний струм, IIL (мА) (VI = 0,4 В)

± 0.001

± 0.001

-0.001

-1.6

-0.4

-0.1

-0.5

ХАРАКТЕРИСТИКИ КМОП-мікросхем
Мета даного розділу полягає в тому, щоб дати розробнику системи необхідні відомості про те, як працюють цифрові мікросхеми структури КМОП і поводяться при впливі різних керуючих сигналів. Досить багато було написано про конструкції і технології виробництва мікросхем КМОП, тому тут розглянемо тільки схемотехнічні особливості мікросхем цього сімейства.
Основний КМОП-схемою є інвертор, показаний на рис. 1. Він складається з двох польових транзисторів, що працюють в режимі збагачення: з каналом P-типу (верхній) і каналом N-типу (нижній). Для позначення висновків харчування прийняті: VDD або VCC - для позитивного висновку і VSS або GND - для негативного. Позначення VDD і VCC запозичені зі звичайних МОП-схем і символізують джерела живлення витоку і стоку транзисторів. Вони не відносяться безпосередньо до схем КМОП, оскільки висновками харчування є витоки обох комплементарних транзисторів. Позначення VSS або GND запозичені від ТТЛ-схем, і ця термінологія збереглася і для КМОП-мікросхем. Далі будуть вказуватися позначення VCC і GND.

Логічними рівнями в КМОП-системі є VCC (логічна "1") і GND (логічний "0"). Оскільки струм, що протікає в "включеному" МОП-транзисторі практично не створює на ньому падіння напруги, і оскільки вхідний опір КМОП-вентиля дуже велике (вхідні характеристика МОП-транзистора, в основному, місткість і виглядає подібно вольтамперної характеристиці МОП-транзистора опором 1012 Ом , зашунтированного конденсатором ємністю 5 пФ), то і логічні рівні в КМОП-системі будуть практично рівні напрузі джерела живлення.
Тепер давайте подивимося на характеристичні криві МОП-транзисторів, для того щоб отримати уявлення про те, як часи наростання і спаду, затримки поширення сигналу і розсіює потужність будуть змінюватися зі зміною напруги джерела живлення і ємності навантаження.

На рис. 2 показані характерні криві N-канального і P-канального польових транзисторів, що працюють в режимі збагачення.

З цих характеристик слід ряд важливих висновків. Розглянемо криву для N-канального транзистора з напругою Затвор-Исток рівним VGS = 15 В. Слід зауважити, що для постійного керуючого напруги VGS, транзистор веде себе, як джерело струму для значень VDS (напруга Сток-Исток) великих, ніж VGS-VT (VT-порогове напруга МОП-транзистора). Для значень VDS менше VGS-VT транзистор веде себе, в основному, подібно резистору.
Слід також зауважити, що для менших значень VGS криві мають аналогічний характер, за тим винятком, що величина IDS значно менше, і, в дійсності, IDS зростає пропорційно квадрату VGS. P-канальний транзистор має практично однакові, але комплементарні (доповнюють) характеристики.
У разі керування ємнісний навантаженням за допомогою КМОП-елементів, початкове зміна напруги, прикладеного до навантаження, матиме лінійний характер, завдяки "струмового" характеристиці на початковій ділянці, одержуваної округленням переважної резистивной характеристики, коли значення VDS мало відрізняється від нуля. Стосовно до найпростішого КМОП-инвертору, показаному на рис. 1, у міру зменшення напруги VDS до нуля, вихідна напруга VOUT буде прагнути до VCC або GND, залежно від того, який транзистор відкритий: P-канальний або N-канальний.
Якщо збільшувати VCC, і, отже, VGS, інвертор повинен розвивати на конденсаторі велику амплітуду напруги. Однак, для одного і того ж збільшення напруги, здатність навантаження IDS різко зростає, як квадрат VGS, і тому часи наростання і затримки поширення сигналу, показані на рис. 3, зменшуються.

Таким чином, можна бачити, що для даної конструкції, і, отже, фіксованого значення ємності навантаження, збільшення напруги джерела живлення збільшить швидкодію системи. Збільшення VCC збільшить швидкодію, але також і розсіюється потужність. Це вірно з двох причин. По-перше, твір CV2f, а значить потужність, зростають. Це потужність, що розсіюється в КМОП-схеми, або будь-який аналогічною схемою, по названої вище причини, при управлінні ємнісний навантаженням.
Для зазначених значень ємності навантаження і частоти переключення, розсіює потужність зростає пропорційно квадрату падіння напруги на навантаженні.
Друга причина полягає в тому, що твір VI або потужність, що розсіюється на КМОП-схемою, зростає з ростом напруги джерела живлення VCC (для VCC> 2VT). Кожен раз, коли схема перемикається з одного стану в інший, короткочасно виникає наскрізний струм, що протікає від VCC до GND через два одночасно відкритих вихідних транзистора.

Оскільки порогові напруги транзисторів не змінюються з ростом VCC, то діапазон вхідної напруги, в межах якого верхній і нижній транзистори одночасно знаходяться в провідному стані, збільшується з ростом VCC. У той же час, більше значення VCC забезпечує великі значення керуючих напруг VGS, які також призводять до збільшення струмів JDS. У зв'язку з цим, якщо час наростання вхідного сигналу дорівнює нулю, то через вихідні транзистори не було б наскрізного струму від VCC до GND. Ці струми виникають з тієї причини, що фронти вхідного сигналу мають звичайно малі часи наростання і спаду, і, отже, вхідна напруга вимагає певного звичайно малого часу для проходження діапазону, в якому два вихідних транзистора включені одночасно. Очевидно, що часи наростання і спаду фронтів вхідного сигналу повинні мати мінімальне значення, для зменшення потужності, що розсіюється.
Давайте поглянемо на передавальні характеристики (рис. 5), як вони змінюються зі зміною напруги живлення VCC. Домовимося вважати, що обидва транзистора в нашому найпростішому инверторе мають ідентичні, але комплементарні характеристики і порогові напруги. Припустимо, що порогові напруги, VT, рівні 2V. Якщо VCC менше порогового напруги 2V, жоден з транзисторів не може бути включений, і схема працювати не буде. На рис. 5а показана ситуація, коли напруга в мережі в точності відповідає пороговому напрузі. В такому випадку схема повинна працювати зі 100% гистерезисом. Однак, це не зовсім гистерезис, оскільки обидва вихідних транзистора закриті, і вихідна напруга підтримується на ємностях затворів, наступних по ланцюгу схем. Якщо VCC знаходиться в межах одного і двох порогових напруг (рис. 5б), відбувається зменшення величини "гістерезису", у міру наближення VCC до значення, еквівалентному 2VT (рис. 5в). При напрузі VCC, еквівалентному двом граничним напруженням, "гістерезис" відсутня; також немає наскрізного струму через два одночасно відкритих вихідних транзистора в моменти перемикань. Коли значення VCC перевищує два порогових напруги, криві передавальної характеристики починають закруглятися (рис. 5г). Коли VIN проходить через область, де обидва транзистора відкриті, тобто в провідному стані, струми, що протікають в каналах транзисторів, створюють падіння напруг, що дають заокруглення характеристик.

Розглядаючи КМОП-систему на предмет шуму, необхідно розглядати, принаймні, дві характеристики: стійкість і запас завадостійкості.
Сучасні КМОП-схеми мають типове значення завадостійкості рівне 0,45VCC. Це означає, що помилковий вхідний сигнал, рівний 0,45VCC-менш відрізняється від VCC або GND, не поширюватиметься в системі, як помилковий логічний рівень. Це не означає, що на виході першої схеми взагалі не з'явиться жодного сигналу. Насправді, в результаті впливу сигналу перешкоди, на виході з'явиться вихідний сигнал, але він буде ослаблений за амплітудою. У міру поширення цього сигналу в системі, він буде ослаблений подальшими схемами ще більше, поки він зовсім не зникне. Зазвичай такий сигнал не змінює вихідну стан логічного елемента. У звичайному тригері, помилковий вхідний синхронізуючий імпульс амплітудою 0,45VCC не приведе до зміни його стану.
Виробник КМОП-мікросхем також гарантує наявність запасу завадостійкості 1 Вольт у всьому діапазоні живлячої напруги і температур і для будь-якої комбінації входів. Це всього лише відхилення характеристики завадостійкості, для якої гарантований особливий набір вхідних і вихідних напруг. Іншими словами, з цієї характеристики слід, що для того, щоб вихідний сигнал схеми, виражений в Вольтах, знаходився в межах 0,1VCC від значення відповідного логічного рівня ( "нуля" або "одиниці"), вхідний сигнал не повинен перевищувати значення 0, 1VCC плюс 1 Вольт вище рівня "землі" або нижче рівня "харчування". Графічно дана ситуація показана на рис. 4.
Дані характеристики близько нагадують запас завадостійкості стандартних ТТЛ-схем, який становить 0,4 В (рис. 6). Для повноти картини залежності вихідної напруги VOUT від вхідного VIN, наведемо криві передавальних характеристик (рис. 5).

АНАЛІЗ ЗАСТОСУВАННЯ В СИСТЕМІ

В даному розділі розглянуті різні ситуації, що виникають при розробці системи: невикористовувані входи, паралельне включення елементів для збільшення навантажувальної здатності, розводка шин даних, узгодження з логічними елементами інших сімейств.

клеми ВХОДИ

Простіше кажучи, невикористовувані входи не повинні бути залишені не під'єднані. Через дуже великого вхідного опору (1012 Ом), плаваючий вхід може дрейфувати між логічними "нулем" і "одиницею", створюючи непередбачувана поведінка виходу схеми і пов'язані з цим проблеми в системі. Всі невживані входи повинні бути підключені до шини харчування, "загальним" проводу або іншому використовуваному входу. Вибір абсолютно не випадковий, оскільки слід враховувати можливий вплив на вихідну навантажувальну здатність схеми. Розглянемо, наприклад, чотиривходових елемент 4И-НЕ, який використовується, як двовходовий логічний вентиль 2 І-НЕ. Його внутрішня структура показана на рис. 7. Нехай входи A і B будуть невикористовуваними входами.

Якщо невикористовувані входи повинні бути підключені до фіксованого логічному рівню, тоді входи A і B повинні бути підключені до шини харчування, щоб дозволити роботу інших входів. Це призведе до включення нижніх A і B транзисторів і виключення відповідних верхніх A і B. У такому випадку, не більше двох верхніх транзисторів можуть бути включені одночасно. Однак якщо входи A і B підключені до входу C, вхідна ємність потроїться, але кожен раз, коли на вхід C надходить рівень логічного "нуля", верхні транзистори A, B і C - включаються, утраивая значення максимального вихідного струму рівня логічної "одиниці" . Якщо на вхід D надходить також рівень логічного "нуля", всі чотири верхніх транзистора - включені. Таким чином, підключення невикористовуваних входів елемента І-НЕ до шини харчування (АБО-НЕ до "спільного" проводу) призведе до їх включення, але підключення невикористовуваних входів до інших використовуваних входів гарантує збільшення вихідного випливає струму рівня логічної "одиниці", в разі елемента І-НЕ (або вихідного впадає струму рівня логічного "нуля", в разі елемента аБО-НЕ).

Для послідовно включених транзисторів збільшення вихідного струму не відбувається. З огляду на цю обставину, Багатовходові логічний елемент може бути використаний для безпосереднього управління потужної навантаженням, наприклад, обмоткою реле або лампою розжарювання.
ПАРАЛЕЛЬНЕ ВКЛЮЧЕННЯ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Залежно від типу логічного елемента, об'єднання входів гарантує збільшення навантажувальної здатності для випливає або впадає струмів, але не двох одночасно. Для того щоб гарантувати збільшення двох вихідних струмів необхідно паралельно включити кілька логічних елементів (рис. 8). В такому випадку, збільшення навантажувальної здатності досягається за рахунок паралельного включення декількох ланцюжків транзисторів (рис. 7), таким чином, збільшуючи відповідний вихідний струм.

Розводка ШИН ДАНИХ

Для цього існує два основних способи. Перший спосіб - це паралельне з'єднання звичайних буферних КМОП-елементів (наприклад, К561ЛН2 ). І другий, найкращий, спосіб - з'єднання елементів з трьома вихідними станами.
ФІЛЬТРАЦІЯ ЗАВАД ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ

Оскількі КМОП-схеми могут працювати в широкому діапазоні жівлячої напруги (3-15 В), необхідна Мінімальна фільтрація. Мінімальне значення напруги джерела живлення візначається Максимальний робочий частотою Найшвидший елемента в системе (зазвічай дуже невелика частина системи працює на максімальній частоті). Фільтри повинні бути обрані з розрахунку підтримки напруги живлення приблизно посередині між зазначеним мінімальним значенням і максимальною напругою, при якому мікросхеми ще працездатні. Однак якщо потрібно мінімізувати рассеиваемую потужність, напруга джерела живлення повинна бути вибрано як можна меншим, при одночасному задоволенні вимог швидкодії.
МІНІМІЗАЦІЯ розсіює потужність СИСТЕМИ

Для того щоб мінімізувати енергоспоживання системи, вона повинна працювати на мінімальній швидкості, виконуючи поставлене завдання при мінімальному напрузі. Миттєві значення динамічної (AC) і статичної (DC) споживаної потужностей зростають, як при збільшенні частоти, так і напруги джерела живлення. Динамічна споживана потужність (AC) являє собою функцію твори CV2f. Це потужність, що розсіюється в буферному елементі, керуючим ємнісний навантаженням.
Очевидно, що динамічна споживана потужність зростає прямо пропорційно частоті і пропорційно квадрату напруги джерела живлення. Вона також зростає зі збільшенням ємності навантаження, яка визначається, в основному, системою, і не є змінною величиною. Статична (DC) споживана потужність розсіюється в моменти перемикання і являє собою твір VI. У будь-якому КМОП елементі виникає миттєвий струм від шини харчування на "загальний" провід (при VCC> 2VT) рис. 9.

Максимальна амплітуда струму - це швидко зростаюча функція вхідного напруги, яке, в свою чергу, являє собою функцію напруги джерела живлення (рис. 5г).
Дійсна величина твори VI потужності, що розсіюється системою, визначається трьома показниками: напругою джерела живлення, частотою і часом фронтів наростання і спаду вхідного сигналу. Дуже важливим фактором є час наростання вхідного сигналу. Якщо час наростання велике, розсіює потужність зростає, тому що встановлюється струмовий шлях протягом усього часу, поки вхідний сигнал проходить область між граничними напруженнями верхнього і нижнього транзисторів. Теоретично, якщо час наростання вважати рівним нулю, струмовий шлях не виникало б, і VI потужність дорівнювала б нулю. Однак, оскільки час наростання має звичайно малу величину, завжди з'являється наскрізний струм, який швидко зростає зі збільшенням напруги живлення.
Є ще одна обставина, що стосується часу наростання вхідного сигналу і споживаної потужності. Якщо схема використовується для управління великим числом навантажень, час наростання вихідного сигналу буде зростати. Це призведе до збільшення VI розсіюється в кожному пристрої, керованому такою схемою (але не в самій керуючій схемою). Якщо споживана потужність досягає критичного значення, необхідно збільшити крутизну вихідного сигналу паралельним включенням буферних елементів або поділом навантажень для того, щоб зменшити загальну споживану потужність.

Тепер підіб'ємо підсумки впливу ефектів напруги джерела живлення, вхідного напруги, часів наростання і спаду фронтів вхідного сигналу, ємності навантаження на рассеиваемую потужність. Можна зробити наступні висновки:

1. Напруга джерела живлення. Твір CV2f розсіюється зростає пропорційно квадрату напруги живлення. Твір VI розсіюється зростає приблизно пропорційно квадрату напруги джерела живлення.
2. Рівень вхідного напруги. Твір VI розсіюється зростає, якщо вхідна напруга знаходиться в межах між "нульовим потенціалом (GND) плюс граничну напругу" і "напругою живлення (VCC) мінус граничну напругу". Найбільша потужність, що розсіюється спостерігається, коли VIN наближається до 0,5 VCC. На твір CV2f рівень вхідної напруги впливу не робить.
3. Час наростання вхідного сигналу. Твір VI розсіюється зростає зі збільшенням часу наростання, оскільки наскрізний струм через одночасно відкриті вихідні транзистори встановлюється на більш тривалий час. На твір CV2f час наростання вхідного сигналу впливу також не робить.
4. Ємність навантаження. Твір CV2f потужності, що розсіюється в схемі, зростає пропорційно ємності навантаження. Твір VI розсіюється не залежить від ємності навантаження. Однак збільшення ємності навантаження призведе до збільшення часів наростання фронтів вихідного сигналу, що, в свою чергу, призведе до зростання твори VI розсіюється в керованих цим сигналом логічних елементах.

ПОГОДЖЕННЯ З логічних елементів інших родин

Існує два основних правила для узгодження елементів всіх інших сімейств з мікросхемами КМОП. По-перше, КМОП-схема повинна забезпечувати необхідні вимоги по вхідним струмів і напруг елементів інших сімейств. І, по-друге, що ще важливіше, амплітуда вихідного сигналу логічних елементів інших сімейств повинна максимально відповідати напрузі джерела живлення КМОП-схеми.
P-КАНАЛЬНІ МОП-СХЕМИ

Існує цілий ряд вимог, які необхідно забезпечити при узгодженні P-МОП і КМОП-схем. По-перше, це набір джерел живлення з різними напругами. Більшість P-МОП-схем розраховані для роботи при напрузі від 17 В до 24 В, в той час як схеми-КМОП розраховані на максимальну напругу 15 В. Іншою проблемою P-МОП-схем, на відміну від КМОП, є значно менша амплітуда вихідного сигналу, ніж напруга джерела живлення. Вихідна напруга P-МОП-схем змінюється в межах практично від більш позитивного потенціалу напруги живлення (VSS) до декількох вольт вище більш негативного потенціалу (VDD). Тому, навіть в разі роботи P-МОП-схеми від джерела напругою 15 В, амплітуда її вихідного сигналу все одно буде меншою за необхідну, щоб забезпечити узгодження з КМОП-схемою. Існує кілька способів вирішення даної проблеми, в залежності від конфігурації системи. Розглянемо два способи побудови системи повністю на МОП-схемах і один спосіб, коли в системі використовуються ТТЛШ-схеми.

У першому прикладі використовуються тільки P-МОП і КМОП-схеми з напругою живлення менше 15 В (див. Рис. 10). У цій конфігурації КМОП-схема управляє P-МОП безпосередньо. Однак P-МОП-схема не може управляти КМОП безпосередньо, оскільки її вихідна напруга рівня логічного нуля значно перевищує нульовий потенціал системи. Для "підтягування" вихідного потенціалу схеми до нуля, вводиться додатковий резистор RPD. Його величина вибирається досить малою, щоб забезпечити бажану постійну часу RC при перемиканні виходу з "одиниці" в "нуль" і, в той же час, досить великий, щоб забезпечити необхідну величину рівня логічної "одиниці". Цей спосіб підходить також і для виходів P-МОП-схем з відкритими стоками.

Іншим способом в повністю МОП-системі є застосування джерела опорного напруги на основі звичайного стабілітрона для формування більш негативного потенціалу, яке живить КМОП-схему (рис. 11).

У цій конфігурації використовується джерело живлення P-МОП-схеми напругою 17-24 В. Опорна напруга вибирається таким чином, щоб зменшити напругу живлення КМОП-схем до мінімального розмаху вихідної напруги P-МОП-схеми. КМОП-схема може як і раніше управляти P-МОП безпосередньо, але тепер, P-МОП-схема може управляти КМОП без "підтягує" резистора. Іншими обмеженнями є: напруга живлення КМОП-схем, який має бути меншим 15 В, і необхідність забезпечення опорним джерелом достатнього струму для харчування всіх КМОП-схем в системі. Це рішення цілком придатне, якщо джерело живлення P-МОП-схеми повинен бути більше 15 В, і споживаний струм КМОП-схемами досить малий, щоб його міг забезпечити найпростіший параметричний стабілізатор.

Якщо в системі використовуються ТТЛШ-схеми, то повинні бути, принаймні, два джерела живлення. В такому випадку, КМОП-схема може працювати від однополярного джерела і управляти P-МОП-схемою безпосередньо (рис. 12).

N-КАНАЛЬНІ МОП-СХЕМИ

Узгодження КМОП з N-МОП-схемами простіше, хоча деякі проблеми існують. По-перше, N-МОП-схеми вимагають меншої напруги джерела живлення, зазвичай в діапазоні 5-12 В. Це дозволяє узгоджувати їх з КМОП-схемами безпосередньо. По-друге, амплітуда вихідного сигналу КМОП-схем знаходиться в діапазоні практично від нуля до напруги джерела живлення мінус 1-2 В.
При більш високих значеннях напруги джерела живлення N-МОП і КМОП-схеми можуть працювати безпосередньо, оскільки вихідний рівень логічного одиниці N-МОП-схеми буде відрізнятися від напруги джерела живлення всього на 10-20%. Однак, при менших значеннях напруги харчування, напруга рівня логічної одиниці буде менше вже на 20-40%, тому необхідно включення "підтягує" резистора (рис. 13).

ТТЛ, ТТЛШ-СХЕМИ

При узгодженні даних родин з КМОП-схемами виникають два питання. По-перше, чи достатньо напруги рівня логічної одиниці біполярних сімейств для безпосереднього управління КМОП-схемами? ТТЛ і ТТЛШ-схеми цілком здатні управляти КМОП-схемами серії 74HCXX безпосередньо без додаткових "підтягують" резисторів. Однак, КМОП-схемами серії CD4000 (К561, КР1561) вони управляти не здатні, оскільки характеристики останніх не гарантують працездатність у разі безпосереднього підключення без підтягують резисторів.
ТТЛШ-схеми здатні безпосередньо управляти КМОП-схемами у всьому діапазоні робочих температур. Стандартні ТТЛ-схеми здатні безпосередньо управляти КМОП-схемами в більшій частині температурного діапазону. Однак, ближче до нижньої межі температурного діапазону, напруга рівня логічної одиниці ТТЛ-схем зменшується і рекомендується введення "підтягує" резистора (рис. 14).

Згідно залежності допустимих значень напруг вхідних рівнів від напруги джерела живлення для КМОП-схем (див. Рис. 4), якщо вхідна напруга перевищує значення VCC-1,5 У (при VCC = 5 В), то вихідна напруга не перевищить 0,5 В . Наступний КМОП-елемент посилить цю напругу 0,5 В до відповідного напруги VCC або GND. Напруга рівня логічної "1" для стандартних ТТЛ-схем становить мінімум 2,4 В при вихідному струмі 400 мкА. Це найгірший випадок, оскільки вихідна напруга ТТЛ-схеми буде лише наближатися до цього значення при мінімальній температурі, максимальному значенні вхідного рівня "0" (0,8 В), максимальних токах витоку і мінімальному напрузі живлення (VCC = 4,5 В).

При нормальних умовах (25 ° С, VIN = 0,4 В, номінальних токах витоку в КМОП-схеми і напрузі джерела живлення VCC = 5 В) рівень логічної "1" буде швидше відповідати VCC-2VD або VCC-1,2 В. при зміні однієї тільки температури, вихідна напруга буде змінюватися по залежності "два помножити -2 мВ на один градус температури" або "-4 мВ на градус". Напруги VCC-1,2 У цілком достатньо для безпосереднього управління КМОП-схемою без необхідності включення "підтягує" резистора.
Якщо при певних умовах вихідна напруга ТТЛ-схеми рівня логічної "1" може впасти нижче VCC-1,5 У необхідно використовувати резистор для управління КМОП-схемою.
Другим питанням є, чи зможе КМОП-схема забезпечити достатній вихідний струм, щоб забезпечити вхідна напруга рівня логічного "0" для ТТЛ-схеми? Для логічної "1" такої проблеми не існує.
Для ТТЛШ-схеми вхідний струм досить малий, щоб забезпечити безпосереднє управління двома такими входами. Для стандартної ТТЛ-схеми вхідний струм в десять разів перевищує струм ТТЛШ-схеми і, отже, вихідна напруга КМОП-схеми, в такому випадку, перевищить максимально допустиме значення напруги рівня логічного "0" (0,8 В). Однак, уважно вивчаючи специфікацію вихідний електричного навантаження на КМОП-схем, можна помітити, що двовходовий елемент І-НЕ може керувати одним ТТЛ-входом, хоча і в крайньому випадку. Наприклад, вихідна напруга рівня логічного "нуля" для приладів MM74C00 и MM74C02 у всьому температурному діапазоні становить 0,4 В при струмі 360 мкА, при вхідній напрузі 4,0 В і напрузі живлення 4,75 В. Обидві схеми показані на рис. 15.

Обидві схеми мають однакову навантажувальну здатність, але їх структури різні. Це означає, що кожен з двох нижніх транзисторів приладу MM74C02 може забезпечити той же струм, що і два послідовно включених транзистора MM74C00. Два транзистора MM74C02 разом можуть забезпечити вдвічі більший струм при заданому вихідному напрузі. Якщо допустити збільшення вихідної напруги логічного "нуля" до значення 0,8 В, то прилад MM74C02 зможе забезпечити в чотири рази більший вихідний струм, ніж 360мкА, тобто 1,44 мА, що близько до 1,6 мА. Насправді, ток 1,6 мА - це максимальний вхідний струм для ТТЛ-входу, і більшість ТТЛ-схем працюють при струмі не більше 1 мА. Також, ток 360 мкА - це мінімальний вихідний струм для КМОП-схем. Реальне значення знаходиться в межах 360-540 мкА (що відповідає вхідному струмі 2-3 ТТЛШ-входів). Струм 360мкА вказано для вхідної напруги 4 В. Для вхідної напруги 5 В, вихідний струм буде близько 560 мкА в усьому діапазоні температур, роблячи управління ТТЛ-входом ще простіше. При кімнатній температурі і вхідній напрузі 5 В, вихід КМОП-схеми може забезпечити струм 800 мкА. Отже, двовходовий елемент АБО-НЕ забезпечить вихідний струм 1,6 мА при напрузі 0,4 В, якщо на обидва входи елемента АБО-НЕ надходить напруга 5 В.
Звідси можна зробити висновок, що один двовходовий елемент АБО-НЕ, що входить до складу приладу MM74C02, можна використовувати для управління стандартним ТТЛ-входом замість спеціального буфера. Однак це призведе до деякого зниження завадостійкості в діапазоні температур.

Джерела информации

1. Fairchild Semiconductor. Application Note 77. CMOS, the Ideal Logic Family