Перейти к содержанию

КМОП-логика (CMOS)

Почти вся современная цифровая электроника — от логики 74HC до микроконтроллеров — сделана по технологии КМОП. Пара транзисторов разной проводимости в каждом элементе даёт почти нулевое потребление в покое, но требует соблюдать правила, которых у старой ТТЛ не было.

Обновлено Редакция GAW

КМОП-логика (CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — цифровые микросхемы, каждый элемент которых построен на паре МОП-транзисторов разной проводимости: p-канальный подключает выход к питанию, n-канальный — к земле. Так устроены серии CD4000, 74HC, 74AC, 74LVC и внутренние схемы микроконтроллеров. Kuphaldt подчёркивает главное следствие такой схемы: выход сам и отдаёт ток в нагрузку, и принимает его, без внешних резисторов.

Свойства

  • Малый ток покоя. В статике один из транзисторов пары закрыт, сквозного тока нет. Потребление растёт с частотой переключений — на перезаряд ёмкостей.
  • Пороги от питания. У 74HC при 4,5 В вход считает нулём не выше 1,35 В, единицей — не ниже 3,15 В (TI SCLS181H); при 6 В — 1,8 и 4,2 В. Серии 74HCT и 74ACT — исключение: КМОП с порогами ТТЛ.
  • Выходные уровни близко к шинам при малой нагрузке: SN74HC00 при токе 20 мкА гарантирует не дальше 0,1 В от шины питания и от земли (типично — тысячные доли вольта), а при 4 мА и питании 4,5 В — единицу не ниже 3,98 В и ноль не выше 0,26 В.
  • Широкий диапазон питания. CD4000 работает примерно от 3 до 15–18 В, 74HC — от 2 до 6 В.

Правила входов

Вход КМОП — затвор, который практически не потребляет тока, поэтому его состояние без внешнего источника не определено. TI в SCBA004 объясняет, чем это опасно: входной каскад — тот же инвертор из двух транзисторов, и в пороговой области открыты оба. Ток питания при этом достигает нескольких миллиампер на вход, а медленный фронт вместе с помехами по питанию вызывает многократные переключения и генерацию.

Отсюда правила:

  1. Неиспользуемые входы не оставлять висящими: подключить к питанию или земле напрямую, а если вход иногда используется — через резистор.
  2. Медленные сигналы — от RC-цепи, фотодатчика, длинного кабеля — подавать через триггер Шмитта, например 74HC14.
  3. Шины в третьем состоянии держать резисторами подтяжки или схемой удержания шины.
  4. Не подавать сигнал выше питания — иначе ток идёт через защитные диоды, вплоть до тиристорного эффекта.

Сводные пороги всех серий — в справочнике по сериям логики, сравнение с ТТЛ и стыковка уровней — в статье о логических уровнях. Практический пример — карточка 74HC00 и 74HC14.

Частые вопросы

Почему нельзя оставлять вход КМОП висящим?

Затвор входного транзистора почти не потребляет тока, и его потенциал определяют наводки и утечки. Если он окажется около середины питания, оба транзистора входного инвертора приоткроются: TI в SCBA004 указывает, что ток питания при этом достигает нескольких миллиампер на вход. Возможны и ложные переключения. Неиспользуемые входы подключают к питанию или земле напрямую или через резистор.

Почему КМОП-логика потребляет больше на высокой частоте?

В покое один из транзисторов пары закрыт, и сквозного тока нет. При каждом переключении нужно перезарядить ёмкость нагрузки и внутренние ёмкости, а на короткое время открыты оба транзистора. Поэтому, как отмечает Kuphaldt, ток КМОП растёт с частотой переключений, тогда как ТТЛ потребляет почти постоянно.

Можно ли подключить выход ТТЛ к входу 74HC?

Не всегда. Вход 74HC при питании 4,5 В требует для единицы не меньше 3,15 В, а выход ТТЛ гарантирует только 2,4 В. Для такой стыковки делают серию 74HCT: это тоже КМОП, но с входными порогами ТТЛ 0,8 и 2 В.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. IV — Digital, ch. 3 «Logic Gates», разд. «CMOS gate circuitry» и «Logic signal voltage levels» (CC BY) — КМОП — Complementary Metal Oxide Semiconductor, пары p- и n-канальных МОП-транзисторов; выход сам может и отдавать, и принимать ток; висящий вход КМОП недопустим ни при каких условиях; потребление в покое близко к нулю, но растёт с частотой переключений; входы почти не нагружают выход, поэтому нагрузочная способность больше; питание 3–15 В (некоторые серии до 18 В); при 5 В вход: ноль 0–1,5 В, единица 3,5–5 В, выход 0–0,05 В и 4,95–5 В при малой нагрузке; запас помехоустойчивости 1,45 В
  2. Texas Instruments. SNx4HC00 Quadruple 2-Input NAND Gates, SCLS181H (December 1982, revised August 2021) — разд. 6.3: питание 2–6 В; при VCC = 4,5 В VIH не ниже 3,15 В, VIL не выше 1,35 В; при 6 В — 4,2 и 1,8 В; разд. 6.5: при IOH/IOL = 20 мкА выход не дальше 0,1 В от шин, при 4 мА и 4,5 В — VOH не ниже 3,98 В, VOL не выше 0,26 В; разд. 6.7: tpd при 4,5 В — до 18 нс при 25 °C
  3. Texas Instruments. Implications of Slow or Floating CMOS Inputs, SCBA004E (July 1994, revised July 2021) — разд. 1: вход КМОП — инвертор из p-канального транзистора к VCC и n-канального к GND; в пороговой области оба открыты, и ток питания достигает нескольких миллиампер на вход с максимумом около 1,5 В входного напряжения; разд. 2: медленный фронт вместе с помехами по питанию вызывает ложные переключения и генерацию, то же — у висящего входа; поэтому нельзя превышать максимальное время нарастания входного сигнала из даташита

Нашли ошибку?

Смотрите также