12 3 4

Таи отдачи/ток отвода, мА

Рис. 9J8. Типовые выходные характеристики (по току) элемента иа п-канальных МОП-транзисторах.

/ - ток отдачи; 2 - ток отвода.

ТТЛ), вследствие чего получаются низкие значения ?си.вкл. При ВЫСОКОМ уровне на выходе ситуация значительно хуже! минимальное значение ВЫСОКОГО уровня на выходе ТТЛ равно +2,4 В, а напряжение затвор - исток транзистора составляет всего 2,6 В, отчего получается доволь- . но высокое сопротивление * Ren. вкл. С ростом выходного напряжения ситуация ухудшается.

Это положение проиллюстрировано кривыми на рис, 9.18. В результате нагрузочная способность по току выхода элемента с л-канальными МОП-транзисторами может составлять всего лишь 0,2 мА (в режиме источника тока) при выходном напряжении +2,4 В. Такая нагрузочная способность достаточна для управления входами элементов ТТЛ, но явно недостаточна для схем, подобных изображенной на рис. 9.19.

Для управления током через светодиод коммутируемого индикатора (25-50 мА) желательно было бы иметь ток около 1 мА при напряжении +4,1 В. Однако это невозможно, так как в этом случае напряжение Ьзи. составило бы всего 0,9 В, что может оказаться даже ниже порогового напряжения полевого транзистора. Следует

также помнить, что все элементы рассчитанные на работу при напряжении питания ТТЛ +5 В, должны сохранять работоспособность при снижении напряжения до +4,5 В с учетом допуска (±10%) на напряжение питания. Для управления светодиодами (или другими сильноточными приборами) можно использовать схемы, изображенные на рис. 9.20,

На первой схеме рпр-транзи-стор переводится в режим полной

45 мА

3 5 g Индипатар

на GaAsP

(1/ (составной]

22 ом

Рис. 9.19.

проводимости при НИЗКОМ уровне на выходе /г-канального МОП элемента, отводящего ток 2 мА. На второй схеме /грп-транзистор включенный по схеме Дарлингтона, ОТКРЫВАЕТСЯ малым выходным током, получаемым от п-канального МОП-элемента, когда последний находится в состоянии ВЫСОКОГО уровня. Подобная схема ограничивает ВЫСОКИЙ уровень напряжения на выходе падением напряжения на двух диодах, что выглядит не совсем хорошо. Но

оказывается, что выходы МОП-элементов с каналами л-тила рассчитаны на подключение к земле таким способом, причем выходные токи будут достаточно малыми и не вызовут повреждения базового

перехода транзистора, который включен по схеме Дарлингтона с заземленным эмиттером. Но не следует подобным образом поступать с высоковольтными -канальными МОП-элементами, которые будут описаны в следующем разделе. Выход типового низковольтного МОП-элемента е каналом /г-типа может отдавать ток величиной 2 мА в базу схемы Дарлингтона при напряжении + 1,5 В, обеспечивая для ИМС до 250 мА типа сшестеренной схемы Дарлингтона 75492 нагрузочную способность по току до 250 мА при напряжении 1 В.

+ 5 В

[Нагрузка

tK3 (нас! --0.9 В т 50 мА

Высоковольтные п-ка-пальные МОП-элементы. С

точки зрения сопряжения по выходам полезное разнообразие в ряд БИС на /1-канальных МОП-транзисторах вносят так называемые низкопороговые высоковольтные элементы. Эти элементы работают от двух источников питания положительной полярности (как правило, +5 и +12 В) и имеют выходную схему, представленную на рис. 9.21. Большая часть схемы элемента

Рис. 9.20. Схемы управления нагрузкой с выходов логических элементов на л-ка-иальных МОП-транзисторах.

/г-МОП - + 12 В

£/= + 5 В

= 12 В

питается от источника Ucc напряжением + 12 В, и только выходной транзистор подключен к источнику напряжением +5 В. В результате выходной каскад дает перепад напряжения от +5 В до нуля, обеспечивая хорошую нагрузочную способность; верхний /г-канальный МОП-транзистор (истоковый повторитель) при напряжении на выходе +5 В имеет смещение затвора, равное 7 В. Применение таких устройств позволяет преодолеть все трудности (а точнее, почти все; остается только найти напряжение + 12 В).

Из вышеизложенного должно быть понятно, почшу выходы п-канальных МОП-элементов с одним источником питания +5 В (низковольтные элементы) совместимы с элементами ТТЛ, хотя для р-канальных МОП-транзисторов, которце мы рассмотрим в следующем

Рис. 9.21.

разделе, дело обстоит иначе. В некоторых случаях для повышения быстродействия на /г-канальные МОП-элементы подают повышенное напряжение питания (высоковольтные элементы), однако в конечном счете фактором, ограничивающим быстродействие МОП-элементов, является отношение емкостей схемы к потребляемым токам. При повышенном напряжении питания на затворы подается большее напряжение, что позволяет получить меньшее значение для сопротивления 7?вкл-

9. П. Входы /7-канальных МОП-элементов

На рис. 9.22 показана входная схема р-канального МОП-элемента, совместимого с уровнями ТТЛ. Транзистор Ti включен как инвертор

т

Вход о-

+ 5В

(микет быть земля], - 5 в и т д.

Рис. 9.22.

ti, Tj - р-канальные транзисторы, работающие в режиме обогащения.

(схема с общим истоком), а транзистор действует в качестве стоковой нагрузки. Для питания совместимых с ТТЛ р-канальных МОП-элементов необходим дополнительный источник отрицательной полярности, тогда как совместимые с ТТЛ /г-канальные МОП-элементы могут работать от общего источника +5 В. У некоторых р-ка-нальных МОП-элементов контакт Ucc может быть соединен с землей, однако для большинства элементов он соединяется с источником отрицательного напряжения Ucc (-5, -9 или -12 В), но ни в коем случае не с землей! Иногда отрицательные напряжения U33 и Ucc могут быть равны.

Для управления р-канальными МОП-элементами на вход надо подавать нулевое напряжение (НИЗКИЙ уровень), открывающее транзистор Ti или достаточный ВЫСОКИЙ уровень, чтобы транзистор Ti закрылся. Для полевых МОП-транзисторов с каналом р-типа свойственны более высокие значения пороговых напряжений и сопротивлений в открытом состоянии, чем для элементов с каналами /г-типа таких же размеров (так как дырки подвижнее, чем электроны). Типовые значения пороговьц напряжений лежат в пределах от 1,5 до 3 В. Для управления такими входами элементов р-канальных МОП-транзисторов вполне подходят выходы ТТЛ, однако для того, чтобы получить соответствующий ВЫСОКИЙ уровень, они должны соединяться с источником питания +5 В через нагрузочный резистор.

Активная нагрузка, ВЫСОКИЙ уровень, достаточный для управления входами р-канальных МОП-элементов, можно обеспечить на выходе элементов ТТЛ и другим способом, а именно использовать встроенную в МОП-элемент активную коммутируемую нагрузку/

Идея этого метода показана на рис. 9.23. Транзистор Ti пропускает ток, если инвертор, образованный транзисторами Тз, Гз, обнаруживает на входе сигнал ВЫСОКОГО уров-/ци = + 5В ня. Таким образом, вход окажется под-

- ключенным к шине питания, как только

уровець входного сигнала превысит логический порог МОП-транзистора. При НИЗКОМ уровне на входе этого не происходит. Такой тип нагрузки позволяет обеспечить хороший сигнал ВЫСОКОГО

уровня на входе МОП-элементов и в лю-

бом состоянии фактически не дает nepers ходного тока. В запоминающем устройстве последовательного типа 3341 подобная схема входа используется для получения Рис. 9 23. совместимости с ТТЛ-элементами.

и

+12 в высокий порог + 5 В низкий порог

9.12. Выходы /7-канальных элементов на МОП-транзисторах

На рис. 9.24 представлена стандартная схема выходного каскада на р-канальных МОП-транзисторах, которая предназначена для управления входами ТТЛ. Транзисторы и образуют двухтактный выходной каскад, причем используется для подключения напряжения Ucc (обычно +5 В), а Т4 является повторителем. Отметим, что оба транзистора являются приборами р-типа. (Схема на элементах КМОП с ее комплементарными ктпоча-ми, подключенными к земле и к источнику +(/сс, конечно, элегантнее.) Транзистор Tz легко обеспечивает ВЫСОКИЙ уровень на выходе, поскольку он полностью открывается, когда на его затвор нодается нулевое или даже отрицательное напряжение.

Другая задача состоит в том, чтобы на вход ТТЛ подать НИЗКИЙ уровень, учитывая, что транзистор 7*4 представляет собой повторитель. Пороговые значения напряжения для р-канальныхМОП-элементов, работающих в режиме обогащения, относительно велики, поэтому, если напряжение на затворе опускается только до нуля, напряжение на выходе при любой нагрузке не сможет упасть ниже 2 В. Для уп-

2 И

Истоковый повторктепь

Земля г 5 в„низккй порог

от -12 В до -15 Б высоййй лоро

-Us, -12 В

Рис. 9.24. Схема выходного логического элемеи-та на р-канальных МОП-транзисторах. Вниманием шина земли может отсутствовать.

равления ТТЛ этого недостаточно, поэтому в цепи затвора используется источник отрицательного напряжения U33 (как правило, -12 В), обеспечивающий удовлетворительную проводимость транзистора Ti в случае, когда потенциал его истока (выход) близок к земле.

Как видно из схемы, транзистор Ti через стоковую нагрузку (транзистор Тз) соединен с источником (/33 (-12 В) и работает как инвертор. Его выходного напряжения (около -10 В) достаточно для смещения повторителя на транзисторе Ti. У р-канальных МОП-элементов с заземленным контактом Uqc на выходе образуется потенциал земли с хорошей нагрузочной способностью (как у КМОП-элементов). Для р-канальных МОП-элементов без зануленного вывода и с отрицательным напряжением Ucc на выходе можно обеспечить значительный отвод тока и напряжение существенно ниже нуля. В этом случае на входах элементов ТТЛ надо использовать защитные диоды, ограничивающие входное напряжение величиной падения на диоде. Одновременно с управлением входом ТТЛ транзистор Ti обеспечивает отвод тока, и его можно использовать для управления светодиодными индикаторами или аналогичным^ устройствами так же, как это делалось на /г-канальных МОП-элементах (через р/гр-транзи-стор). Обычно такие выходы рассчитаны только на отвод тока с одного входа ТТЛ, и к ним нельзя непосредственно подключать сильноточную нагрузку. В отличие от /г-канальных МОП-элементов р-канальные элементы обеспечивают выход, который может быть источником существенного по величине тока (хотя обычно он меньше, чем ток, отводимый от нагрузки). С этого выхода можно управлять ключевым /ip/г-транзистором с заземленным эмиттером и нагрузкой, подключенной к источнику питания напряжением +5 В и выше.

При работе р-канальных МОП-элементов от отрицательного источника напряжения Ucc важно обращать внимание на следующее обстоятельство: в состоянии НИЗКОГО уровня выход может потреблять значительный ток при напряжении на нагрузке ниже нуля. Со входами ТТЛ благодаря наличию защитных диодов ничего не произойдет, однако КМОП-элементы в такой ситуации могут выйти из строя, С неприятностями подобного рода можно столкнуться, если выходы, предназначенные для управления элементами ТТЛ, использовать для управления БИС на МОП-транзисторах.

И наконец, последнее замечание относительно р-канальных МОП-транзисторов: в новых разработках ИС стремятся шире использовать р-канальные элементы МОП, совместимые с ТТЛ-уровнями. Тем не менее существует большое число кристаллов типа р-МОП, некоторые из которых абсолютно не совместимы с уровнями ТТЛ. Например, серия ИС фирмы National, предназначенная для создания электромузыкальных синтезаторов, включает в себя хроматический равномерно-темперированный синтезатор, цифровой источник шума и ритмозадатчик, упоминавшийся в разд. 8.27. Эти ИМС работают от источников питания +14 и -13 В. Кроме того, многие ИМС, предназначенные для калькуляторов, рассчитаны на работу от одной

9-вольтовой батареи. В большинстве случаев их выходы могут непосредственно стыковаться с КМОП-элементами. В противном случае, зная выходные характеристики схем, можно сделать устройство сопряжения на биполярных или полевых МОП-транзисторах. К сожалению, паспортные данные не всегда содержат нужную информацию.

9.13. Суммарные характеристики семейства МОП-элементов

На рис. 9.25 приведены обобщенные данные о напряжениях питания БИС на МОП-элементах, а диаграмма на рис. 9.26 показывает

л- анальные моп-транзипоры нагрузочные способности по

выходу. Напряжения питания и результирующие напряжения входного порога для ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней приводятся отдельно для каждого из шести семейств МОП.

Отметим некоторые особенности: часто значения напряжений питания Ucc и U33 можно изменять; капример, можно вместо -12 В использовать -15 В.

/7 - канальные

с кремниевыми затворами, низний порог

Мшлличес- Кремниевые кие эатБОры, низ-затворы кий порог Высановольтный, /---I--ч 3 источника

+ 12--Г^ИИ Ш Hl3KD- -I-

Земля -

-12 -

5 вогьтныи, g 2 источнй-5 ка, земля

Иизко- вальтный

1/ш i/,

т

логичесииз лороги для

НИЗКОГО и ВЫСОКОГО уровней

Значения напряжений питания, если это удобно, можно сдвигать, получая желаемые напряжения логического порога или выходные логические уровни. Выходы р-канальных элементов МОП в режиме отвода тока могут подключать нагрузку к потенциалу ниже нуля, поскольку они представляют собой повторители с отрицательным напряжением питания. Низковольтные/г-каналь-ные элементы МОП (с напряжением питания +5 В) не обеспечивают полный перепад напряжения на нагрузке до +5 В, но зато могут отводить на землю значительный ток. Такие элементы хорошо использовать для управления элементами ТТЛ; для этой цели они и были разработаны.

-2Z-

Рис. 9.25. Напряжения питания и логические пороги элементов на р-канальных и п-канальных МОП-транзисторах (приведены пороговые напряжения для НИЗКОГО и ВЫСОКОГО уровней). показывает ток отвода на Uqq.

цифровые сигналы и длинные линии

В тех случаях, когда цифровые сигналы должны передаваться по кабелю или между измерительными приборами, возникают специфические проблемы. Важную роль играет влияние емкостной нагрузки

на высокочастотные сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также на эффекты длинной линии (отражения от несогласованной нагрузки, см. разд. 13.09). Для того чтобы обеспечить надежную передачу цифровых сигналов, часто применяют специальные методы и соответствующие интегральные схемы. Некоторые из перечисленных

Вь!ХОянай так,мА

-1 О +1 +2 быкоднов напаяэкенна

Рис. 9.26. Выходные характеристики (по току) совместимых с ТТЛ логических элементов на л-канальных и р-канальных МОП-транзисторах.

/ - отвод, низкопороговые р-МОП, 2 - отвод, высокопороговые р-МОП; 3 - отвод, гг-МОП; 4 - отдача, низковольтные гг-МОП, 5 - отдача, высоковольтные р-МОП и низкопороговые высоковольтные р-МОП; 6 - отдача, высокопороговые р-МОП.

проблем могут возникать даже на отдельной печатной плате, так что без знания методов передачи цифровых сигналов трудно обойтись. Мы начнем рассмотрение с вопросов, возникающих при передаче сигналов в пределах одной платы, после чего перейдем к тем трудностям, которые возникают при передаче сигналов по шинам между платами, и в заключение обсудим случаи, когда сигналы передаются от устройства к устройству по витым парам проводов или с помощью коаксиальных кабелей.

9.14. Внутриплатные соединения

Ток нерехоёного процесса шхоёного каскада. Двухтактная выходная схема элемента ТТЛ н КМОП состоит нз двух лоследова-тельно соединенных транзисторов, включенных между шинами и земли. Когда состояние выходного каскада изменяется, оба транзистора кратковременно оказываются в отзфытом состоянии. В это Бремя от шины U+ на землю протекает импульс тока, который создает короткие отрицатеч1Ьные выбросы hsljums U+ji короткие поло-

жительные выбросы на шиие земли. Эта ситуация иллюстрируется на рис. 9.27. Предположим, что HMCi переключается, и от источника +5 В* к земле кратковременно протекает значительный ток, путь которого показан на рисунке (для элементов типа 745л:д; он может достигать 100 мА). Этот ток в сочетании с индуктивностью проводников (/+ и земли вызывает короткие выбросы напряжения относительно опорной точки заземления (см. рисунок). Эти выбросы длительностью всего лишь от 5 до 20 не могут доставить массу неприятностей.

>11

20 НС

Опорная то4на

Рис. 9.27. Помехи на шине земли.

Предположим, что ИМСа, <:пассивный свидетель происходяш;его, расположена рядом с переключившейся микросхемой. ИМСа, на выходе которой действует постоянный сигнал НИЗКОГО уровня, управляет входом ИМСз, расположенной еще дальше. Положительный выброс, действующий на земляном проводе ИМСг, появится также на выходе последней, и при его достаточной величине воспримется схемой ИМСв как непродолжительный сигнал ВЫСОКОГО уровня. Таким образом, на выходе схемы ИМСз, находящейся на некотором расстоянии от источника помехи - схемы ИМС1, появляется полноценный выходной импульс, нарушающий нормальную работу всей системы. Он без особых затруднений переключит триггер; подобные выбросы тока по земляному проводу делают это очень умело.

Лучшим средством против подобного явления является а) использование по всей плате мощных земляных шин и даже значительных поверхностей заземления (одна сторона двухсторонней печатной платы целиком отводится под поверхность заземления); б) обильное шунтирование цепей питания по всей плате с тшш! конденсаторов. Применение умощненных шин (пониженнъле индуктивность и сопротивление) уменьшает индуцированные вьбросы тока, а благодаря наличию конденсаторов, включенных между шжиами земли и U+ и распределенных по всей плате, токовые броски распространяются только по коротким ветвям^ что в сочетании с гюнижениой индуктив-

ностью дает существенное снижение величины выбросов (конденсатор действует как локальный источник, напряжение которого з а время действия короткого броска тока заметно не меняется). В устройствах на элементах ТТЛ лучше всего около каждой ИМС устанавливать конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, но может оказаться достаточным иметь один конденсатор на каждые две или три ИМС. Кроме того, для хранения энергии неплохо распределить по плате несколько танталовых конденсаторов большей емкости (например 6,8 мкФ, 35 В). Шунтирующие конденсаторы рекомендуется включать между шинами источников питания и земли независимо or того, Щ1фровая эта схема или аналоговая. Конденсаторы обтеспечивагот низкий импеданс шин источников напряжения на высоких частотах, что препятствует возникновению связей между элементами через источник, Незашунтированные шины питания могут служить причиной возникновения ненормальных режимов, генераций, помех.

Емкость нагрузки - причина выбросов. Даже после того как шины питания зашунтированы, неприятности еще не закончатся. Почему это так, показано на рис. 9.28. Для выхода цифрового элемента частью общей нагрузки являются емкость монтажа и входная емкость элемента, которым управляет этот выход (типовое значение лежит в пределах от 5 до 10 пФ). При резком переключении выхода и? одного состояния в другое через такую нагрузку протекает довольно большой ток, величину которого можно подсчитать по формуле I=C{dUIdt). Рассмотрим, например, как элемент серии 7iSxx (время переключения от О до 3 В составляет 3 не) управляет нагрузкой емкостью 25 пФ (что эквивалентно трем или четырем элементам ТТЛ, соединенным короткими проводниками). Ток во время переключения равен 25 мА, что близко к максимальной нагрузочной способности управляющего элемента по выходу! Этот ток протекает по шине земли (при переключении с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ) или шине +5 В (при переключении с НИЗКОГО уровня на ВЫСОКИЙ), прон изводя как раз те самые незначительные выбросы. [Для оценки этого эффекта представим, что индуктивность проводника составляет приблизительно 5 нГ/см. Ток переключения, продолжающегося 2 ис.

Емкость пробода J Броски тока

возвращаются ЕмгастЬ

пошшземпй .вход*

Выбросы на Шйе земли!

Рис. 9.28. Помехи на шине земли из-за емкост- ной нагрузки.

вызовет на дюйме провода выброс напряжения Ul{dI/dt)=0,15 В|] Аналогичные выбросы на шине заземления появятся и около управляемого элемента, где всплески тока через его входную емкость и паразитную емкость монтажа возвращаются на землю.

В синхронных схемах, где несколько элементов переключаются одновременно, проблема паразитных выбросов еще более серьезна. В печатных платах больших размеров с протяженными соединениями н шинами заземления выбросы тока могут приводить к ощутимым неприятностям. Лучше всего использовать массивные шины земли (чтобы получить малые величины индуктивности) и наикратчайшие связи. Элементы КМОП, в силу их меньшего быстродействия, доставляют меньше затруднений в отношении помех, однако здесь имеют место неприятности, связанные со скосами фронтов (см. разд. 8.34). Элементы 7Sxx хуже в этом плане, чем многоцелевая серия 74LSa:x, которая в свою очередь уступает стандартной серии ТТЛ 74а:а:. Наибольшие трудности могут возникнуть при использовании логических элементов с эмйттерными связями (ЭСЛ).

9.15. Межплатные связи

При передаче логических сигналов между платами возможностей для возникновения сбоев становится еще больше. Возрастает емкость проводников, удлиняется цепь земли, поскольку теперь она должна проходить по кабелям, разъемам, удлинителям и т. п. Поэтому выбросы по шине земли, которые возникают из-за токов переключения, в этом случае обычно больше по величине и способны доставить больше неприятностей. Следует, по возможности, избегать разветвлений тактовых сигналов между платами, а провода заземления отдельных плат делать достаточно мощными. Если тактовые сигналы поступают с платы на плату, на входе каждой платы нужно установить промежуточный Вентиль, В крайних случаях здесь могут потребоваться ИМС линейных формирователей и приемников (см. ниже). Кроме того, все критичные схемы всегда желательно объединять на одной плате, где можно влиять на индуктивность шин заземления и свести к минимуму емкость проводников. Не следует недооценивать значение проблем, которые возникают при разводке высокочастотных сигналов по нескольким платам; может оказаться, что они станут главным источником затруднений.

9.16. Шины передачи данных

Когда большое число отдельных узлов соединяются между собой с помощью общей шины, вышеупомянутые проблемы становятся еще серьезнее (более подробно о шинах передачи данных см, в гл. 10 и И), Кроме того, прибавляются новые действующие лица: из-за длины и собственной индуктивности проводников возникают эффекты,

i дюнм=2,54 см.- Прим. перевс