Работа КМОП-схем в микромощном режиме
На первый взгляд проектирование микромощных цифровых устройств достаточно тривиальная задача: просто использовать КМОП-технологию везде, включая микропроцессоры и память. Правда? Почти так. КМОП-серии-это конечно правильный выбор, хотя биполярные логические схемы можно использовать в режиме с выключаемым источником питания. Но имеются особые разновидности КМОП-приборов и неожиданно возникающие ловушки при их использовании. Так что при проектировании на КМОП-приборах можно получить все, что угодно, только не микромощное устройство.
КМОП-семейства
Выбор лучшей КМОП-серии зависит от вида конкретной прикладной задачи. Они представлены в таблице «Логические семейства».
Серии 4000В/74С. Эта В-серия представляет собой модернизацию исходной КМОП-серии с металлическим затвором, в паспортных данных на которую указано, что она может функционировать при напряжениях источника питания от 3 до 15 В. Работа при предельном напряжении 3 В допустима, но, однако, сопряжена с высоким значением ZBbIX, плохой помехозащищенностью и малым быстродействием.
На практике минимальное напряжение питания составляет 5В. На верхнем же краю диапазона напряжений источника питания при переключении возникает значительный ток режима класса А. Также отмечается большая склонность к внезапному выходу схемы из строя от всплесков напряжений в цепи источника питания. Эти КМОП-семейства являются довольно привлекательными в смысле производительности выходного каскада, а именно ток в 1 мА или меньше при напряжении питания 5 В. Серия 74С по электрическим параметрам эквивалентна серии 4000В, включая и диапазон напряжений источника питания, но с реализацией логических функций и расположением контактов, как у 74 серии ТТЛ.
Фирма Fairchild предлагает улучшенную серию — «Изопланарную С» (более быстродействующая при том же самом диапазоне напряжений), что делает и фирма Philips/Signetics (называется «LOCMOS» — МОП-структура с использованием локального окисления). Это единственная КМОП-серия, которая может работать в широком диапазоне напряжений питания. Она идеальна при организации питания непосредственно от батареи с напряжением 9 В.
Серии 74НС и 74АС. «Быстродействующая» КМОП-серия с поликремниевым затвором (по быстродействию НС = 74LS, АС = 74F/74AS) работает в диапазоне напряжений питания от 2 до 6 В (или от 1,5 до 5 В) и на самом деле точно ориентирована на этот диапазон.
Эти приборы являются достаточно сильными с хорошей защитой входных цепей и кажущейся свободой от ключевого режима с фиксацией состояния (тиристорного эффекта). Они имеют КМОП-пороги (т. е. половина напряжения Ucc) и размах уровней выходного сигнала, равный напряжению питания. Сама НС-серия реализует большинство функций популярной серии 4000В (например, 74НС4046), а также функций обычной серии 74LS.
Серии 74НСТ и 74АСТ. Это варианты серий НС и АС, но с входными ТТЛ-порогами для обеспечения совместимости с ТТЛ-приборами, т. е. когда в одной схеме требуется взаимодействие ТТЛ- и МОП- приборов. Поскольку микромощные схемы, как правило, не имеют каких-либо биполярных ТТЛ-приборов, всегда можно выбрать серию НС/АС, учитывая ее большую помехозащищенность. Для НСТ- и АСТ-приборов требуется питание 5 В ± 10%.
Схемы специального назначения с низким порогом. Мощность рассеивания КМОП-приборов в динамическом режиме пропорциональна корню из напряжения питания. Это мощный (!) стимул для работы при низком напряжении источника питания, что является основанием для использования в наручных часах субмикроваттных кристаллов (напряжение источника питания 1,5 В) с функцией генератор/делитель. Эти замечательные ИС могут быть очень полезны и не только из-за дешевизны вследствие их крупносерийного производства.
M2L (логика Микки Маус). Не будем проводить обзор возможностей по использованию нескольких дискретных элементов для формирования или инвертирования логического уровня. Идея представлена на рисунке:
Решение может быть полезно в тех случаях, когда необходимо обеспечить интерфейс между схемами с различными напряжениями источника питания. Можно даже создать импровизированные вентили и пр., добавляя на выходах диоды или параллельные транзисторы.
Выбор семейства. Используйте серию 4000В/74С, если безразличны быстродействие или высокий уровень выходного тока или если используете нестабилизированное или высоковольтное напряжения источника питания. Воспользуйтесь серией НС (или АС), если требуется быстродействие или производительность по выходу, но следует отметить ее более ограниченный диапазон напряжений питания.
Семейства АС (и ACT) привносят больше проблем вследствие емкостной связи и отражения (эффекты длинной линии), а также переходных процессов в цепи источника питания (колы), что обусловлено крутыми фронтами сигналов и «здоровенной» нагрузочной способностью выходных формирователей. Эти схемы следует по возможности избегать, если только без них абсолютно нельзя обойтись. Как правило, избегайте приборов с порогами ТТЛ (HCT, ACT), если только они не предназначены для обеспечения сопряжения с биполярными ТТЛ-схемами или схемами на n-МОП БИС с логическими ТТЛ-уровнями.
Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме
Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким значением тока.
Что нужно учесть при проектировании
Обеспечить в схеме как можно меньше точек с высокочастотными сигналами. КМОП-схемы не имеют тока покоя (иная природа, чем у тока утечки), но при переключении требуется ток для заряда внутренних (и нагрузочных) емкостей. Поскольку энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как 1/2CU2 и равна количеству энергии, рассеянной резистивной цепью заряда, то рассеянная мощность определяется следующим образом:
Р = U2ccfC,
где f- частота переключений. Следовательно, КМОП-приборы потребляют мощность пропорционально их частоте переключений, как показано на рисунке
На их максимальной рабочей частоте они могут потреблять больше мощности, чем эквивалентные ТТЛ логические схемы. Эффективная емкость С зачастую приводится в паспортных данных и именуется как «емкость мощности рассеяния», к которой нужно добавить и емкость нагрузки Сн, а уж затем пользоваться приведенной выше формулой.
Внутри самой схемы поддерживайте все напряжения Ucc и Uии одинаковыми. В противном случае мы не сможем иметь ток, протекающий через входные диоды защиты. Даже хуже, можно перевести кристалл в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния (см. приведенные ниже патологии).
Позаботьтесь о том, чтобы размахи логических сигналов достигали уровней напряжения питания (максимальный перепад напряжения). Перепады выходных сигналов КМОП-схем имеют максимальное значение. Уровни же выходных сигналов других приборов — биполярных ТТЛ- схем, генераторов, n-МОП-кристаллов — могут находиться где-то посередине, что приводит к появлению тока режима класса А и снижению помехоустойчивости.
Не оставляйте свободными входные контакты. Неподключенные входы являются «врагами» микромощного режима работы. Поскольку они могут вызвать значительный ток режима класса А (и даже генерацию), как только плавающий потенциал на входе достигнет уровня логического порога. Привяжите неиспользуемые входные контакты к шине земли (или Ucc, если это не приведет к чему-нибудь нежелательному).
Приведите в порядок нагрузки с тем, чтобы сохранить в нормальном состоянии низкое значение тока потребления. Привязки к верхнему и нижнему уровням, светодиоды и выходные формирователи должны быть подключены так, чтобы в обычном состоянии ток был минимальным. Таким образом, например, используйте n-р-n- (а не р-n-р) транзистор для подключения высоковольтной нагрузки к узлу, который большую часть времени находится в низком состоянии.
Избегайте медленных переходов. Снова ток режима класса А является основным виновником. Входной сигнал синусоидальной формы, поступающий на КМОП-триггер Шмитта, может привести к большому потреблению тока от источника питания.
Введите токочувствительные резисторы в цепь питания Uсс. При отказах определенного вида (см. ниже), в частности, которые приводят к статическим повреждениям, КМОП-кристалл может потреблять чрезмерный ток покоя. С помощью 10-омного резистора, включенного на каждой плате последовательно в цепь Ucc (шунтированный со стороны нагрузки), можно легко выявить эту ситуацию. Подключение такого резистора к каждому кристаллу (обычно в этом случае нет необходимости в шунтировании) позволяет быстро обнаружить неисправный кристалл:
Экранирование тока покоя. Типовой логический КМОП-кристалл серии НС или 4000В имеет точно определенный ток Iп, равный 0,04 мкА (тип.) и 5 мкА (макс.). В большинстве случаев редко ток покоя имеет максимальное значение, но иногда это может произойти. Если работать на низких частотах переключений (следовательно, на низком динамическом токе) и требуется сравнительно низкий ток покоя, то может потребоваться экранирование входных кристаллов. Использование небольших последовательных резисторов, как рекомендовано выше, делает эту задачу гораздо более легкой. В случае КМОП БИС (такие, как память большого объема) типовое значение тока покоя может быть близко к техническим требованиям фирм-изготовителей по максимальному току утечки — остерегайтесь!
Блокировка источника питания по превышению лимита времени. Можно сэкономить много мощности, если позаботиться о том, чтобы прибор выключался, когда его никто не использует. На следующем рисунке показана простая КМОП-схема блокировки по превышению лимита времени, которая отключает коммутируемый источник питания с напряжением +9 В через час после включения прибора:
Не мешало бы предусмотреть это в переносном приборе (например, универсальном измерительном приборе). Он использует схему 4536-генератор/делитель/одновибратор для сброса триггера, который управляет источником питания прибора. Схема работает при напряжении + 3В, с тем, чтобы поддерживать потребление тока на уровне ниже 5 мкА. Использование выхода одновибратора предотвращает логические гонки (фронтов сигнала) и импульсы, а цепь «8-шунтирование» используется для тестирования схемы с помощью укорачивания этой задержки до 15 с. КМОП-ключи при низком токе покоя обеспечивают легкое сопряжение с источником питания.
Патологии КМОП-технологии и виды отказов
Теперь стоит расширить осведомленность о патологиях КМОП-технологии. Дело в том, что КМОП-схемы странно ведут себя в некоторых обстоятельствах, они могут отказывать самыми сверхестественными способами. Один из видов отказа — это катастрофическое увеличение их мощности рассеяния. Далее дается их краткое изложение.
Тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния. Это главная угроза для маломощного режима работы. Кремниевая подложка образует диодные переходы с элементами КМОП-схемы, образуя паразитную схему тиристорного типа, которая может включиться в тяжелых условиях:
Она потребляет ток, как правило, 20-200 мА (большее значение для более новых КМОП-семейств) через входные (или выходные) диоды защиты. Это обеспечивает включение паразитного тиристора. Поскольку он остается в тяжелых условиях по электропроводности цепи питания, с напряжением приблизительно 1 В (от источника питания на землю), это часто приводит к разрушению самой ИС (или даже источника питания). Для предотвращения тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния, проектируйте схемы с последовательными входными токоограничивающими резисторами, которые устанавливаются в таких местах, как:
— внешние входы,
— входы, которые могут быть перегружены,
— выходы, с которых сигналы выходят за пределы платы или в другие части схемы, питание которых производится от отдельных источников.
Неблагоприятные условия по нагрузкам, которые могут возбуждать токи в КМОП выходных цепях, являются потенциальными причинами ключевого режима. Например, использование токового выхода КМОП цифро-аналогового преобразователя (работающего от напряжения + 5 В и земли) для запитывания контакта суммирования ОУ (питание которого осуществляется от биполярного источника) кажется достаточно «разумным» решением. Но при включении питания можно получить мгновенный ток, втекающий в этот вход ОУ, что переводит ЦАП в ключевой режим. Решением здесь может быть добавление диода Шоттки, подключенного на землю.
Новейшие цифро-аналоговые преобразователи спроектированы с соответствующей защитой. Поищите в их описаниях фразу типа «защита Шоттки не требуется».
Другое место, где можно наткнуться на ключевой режим с фиксацией состояния, это при переключении больших индуктивных нагрузок с помощью мощных полевых транзисторов с МОП-структурой. Их большие емкости обратной связи приводят к появлению высоких динамических токов на вентиле-формирователе (т. е. КМОП логическом выходе) в течение переходных процессов.
Очень просто получить ключевой режим с фиксацией состояния и при подсоединении печатной платы к находящемуся под питанием разъему, поскольку сигнальная шина может подключиться раньше шины источника питания.
Для схем любого вида это плохая привычка подсоединять или отсоединять платы или модули при включенном питании.
При проектировании на КМОП-приборах стоит изучить официальные технические руководства, где описан этот ключевой режим с фиксацией состояния. В более новых типах КМОП-схем с поликремневым затвором применены очень эффективные схемы защиты. Некоторые фирмы-изготовители (например, National) утверждают, что их серии НС/НСТ или АС/АСТ не могут быть переведены в ключевой режим с фиксацией состояния.
Сигнальная связь. Вследствие своих высоких полных сопротивлений КМОП-схемы склонны к емкостной связи соседних сигналов с крутыми фронтами, что приводит к выбросам в логическом сигнале. Например, привязки к верхнему и нижнему уровням с высоким полным сопротивлением допускают связь выбросов через емкость монтажа с ближайшими шинами, по которым проходят сигналы с крутыми фронтами. Для борьбы с этим эффектом используйте небольшой (0,001 мкФ) шунтирующий конденсатор.
Относительно высокая емкость может даже привести к связи с выходной шиной. В особенности у КМОП-серий 4000В/74С, работающих при напряжении питания 5 В. В крайних случаях связь может быть достаточной для вызывания тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния.
Например, переключение высоких напряжений с помощью реле в том же самом жгуте, где и логические уровни.
Фазовый сдвиг тактовых импульсов. Относительно высокое значение ZBЫХ КМОП-серий 4000В/74С может привести к неисправностям в синхронных системах. Особенно, если шина тактовой синхронизации имеет тяжелую емкостную нагрузку, что приводит к задержке сигналов тактовой синхронизации относительно сигналов данных. Относительно большой разброс логических порогов КМОП-схем только отягощает эту ситуацию.
В системах с нестабилизированным батарейным питанием важно проверить надежность функционирования схемы во всем диапазоне напряжения источника питания. Неожиданно, но ситуация имеет тенденцию к ухудшению при более высоком напряжении UСС, когда задержки сигналов данных и времена переходных процессов становятся короче. Это один из аргументов для применения стабилизированных источников питания в питаемых от батареи КМОП-системах.
Виды отказов. Неисправность на входе может вызвать входной ток утечки (или короткое замыкание) на Uии или на Ucc. Повреждение выходного каскада часто является причиной существенного тока покоя. Это может привести к холостому ходу одного из формирователей, так что он не может быть ни источником, ни потребителем тока. В такой ситуации может быть ток покоя только в одном состоянии.
Токочувствительные резисторы в цепях Ucc, как это рекомендовано выше, облегчат задачу «выследить» и «поймать» эти неисправности. При использовании этого метода отметим, что легко быть одураченным, поскольку симптомом поврежденного входа может быть ненулевой ток покоя в здоровом кристалле, который работает на поврежденный.
Поврежденный КМОП-кристалл может работать только при очень низких скоростях (повреждение формирователя) или только на очень высоких частотах (повреждение входного каскада, отсутствие связи по постоянному току, емкостная связь). Аналогичный симптом может иметь место, если забыть подключить входной контакт. Сама схема может «работать» на высоких скоростях благодаря емкостной связи фронтов:
