Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/RCA/D19840405Elc030.shtml

Быстродействующие логические К/МОП ИС начинают конкурировать с ТТЛ ИС в большинстве систем

УДК 621.3.049.774.2:681.325.65

Р.Фанк (R.E.Funk)
Отделение полупроводниковых приборов фирмы RCA Corp. (Сомервилл, шт.Нью-Джерси)

R.E.Funk. Fast C-MOS logic bids for TTL sockets in most systems, pp.134—137.

Описаны новые К/МОП-структуры с кремниевыми затворами длиной 3 мкм. По сравнению с К/МОП-структурами, имеющими металлические затворы длиной не менее 7 мкм, новые приборы характеризуются более высоким быстродействием, меньшей величиной рассеиваемой мощности и рядом других преимуществ. Благодаря этому быстродействующие логические К/МОП ИС с кремниевыми затворами начинают конкурировать с ТТЛ ИС в различных интерфейсных схемах.

Разработчики высококачественных электронных систем могут теперь реально выбирать нужные им компоненты среди различных логических элементов. До недавних пор только биполярные структуры могли удовлетворять требованиям к быстродействию и нагрузочной способности, которые были необходимы во многих применениях. Однако в настоящее время логические К/МОП ИС начинают конкурировать с биполярными ИС почти во всех областях. Некоторые типы логических К/МОП ИС даже обладают такими характеристиками, которых нет у их биполярных конкурентов.

Благодаря сочетанию технологии К/МОП БИС и СБИС удалось добиться, чтобы такие логические К/МОП ИС, как выпускаемые фирмой RCA Q-MOS ИС (Q-MOS —quick MOS — быстродействующие МОП), превзошли по своим характеристикам биполярные ИС. Эти Q-MOS-приборы (серий 54/74HC и 54/74HCT) обладают столь высокими характеристиками прежде всего благодаря тому, что размеры их элементов уменьшены по сравнению с размерами элементов обычных К/МОП ИС. Вместо использования стандартных структур с металлическими затворами длиной 7 мкм эти и аналогичные им приборы изготовлены с поликремниевыми затворами длиной 3 мкм (рис.1). Благодаря такой ми- ниатюризации Q-MOS логические элементы обладают такими же размерами и быстродействием, как маломощные Шотки/ТТЛ ИС.


Рис.1. Обычная логическая К/МОП ИС с металлическими затворами длиной 7 мкм (а) существенно отличается от К/МОП ИС с 3-мкм поликремниевыми затворами, изготовленной по новой технологии (б). Благодаря малому размеру кристалла и самосовмещенным кремниевым затворам второе поколение К/МОП ИС может работать со скоростями, на порядок величины более высокими, чем те, с которыми работают стандартные ИС с металлическими затворами.

В настоящее время рынок сбыта Q-MOS ИС, совместимых с К/МОП-структурами (серии HC) и маломощными ШоткиТТЛ-структурами (серия HCT), довольно велик; свыше десяти изготовителей полупроводниковых приборов выпускают подобные ИС. Более того, Объединенный технический совет по электронным приборам (JEDEC) подготовил стандарт на эти схемы, благодаря которому разработчики аппаратуры будут иметь достаточно полно характеризованную серию логических ИС, выпускаемую многими изготовителями.

Благодаря этой серии ИС они сумеют создавать меньшие по габаритам и более эффективные настольные компьютеры и ручное оборудование, питаемое от батарей. Так как К/МОП-системы работают от напряжения питания 2—3,6 В, они поглощают намного меньшую мощность, чем аналогичные системы на биполярных приборах, работающие от напряжения питания 5 В. Другие области применения, такие, как бытовая аппаратура, аппаратура связи и управления промышленными системами, также могут выиграть благодаря меньшему потреблению мощности, лучшей помехоустойчивости и широкому диапазону рабочих температур, характерным для К/МОП ИС.

Кроме того, К/МОП-технология позволяет разработчикам систем воспользоваться хорошо разработанной техникой вентильных матриц и стандартных ячеек. Сведения об этих матрицах и ячейках могут храниться в базах данных для автоматизированного проектирования. В тех случаях, когда наилучшим выбором являются заказные логические БИС, становится возможным использовать высококачественные экономичные полузаказные разработки, основанные на использовании известных логических ячеек.

Современные разработки

В большинстве современных систем, основанных на микрокомпьютерах, используются в основном n-канальные МОП-микропроцессоры и ЗУ. Высокие требования к быстродействию заставляют в качестве всех схем интерфейсов использовать биполярные ИС. Эти биполярные ИС служат для сопряжения процессорных шин с ЗУ. Они располагаются во входных/выходных частях устройств и осуществляют все нестандартизованные функции произвольной логики и синхронизации. К сожалению, такие схемы сопряжения поглощают значительную часть мощности, которую удается сэкономить благодаря применению МОП-процессоров и ЗУ.

К/МОП-компоненты, имеющие типичные времена задержки порядка 90 нс, работают слишком медленно для того, чтобы их можно была использовать в устройствах с высокими параметрами. Для таких применений, однако, являются идеальными К/МОП-приборы серии HC. Характерные для них времена порядка 8 нс сравнимы с временами задержки в маломощных Шотки/ТТЛ ИС (МШ/ТТЛ), но К/МОП ИС серии HC потребляют намного меньшую мощность, чем указанные биполярные ИС.

В то время как К/МОП ИС серии HC рассматриваются как логические схемы, предназначенные для будущих разработок, выпускаемые вместе с ними К/МОП ИС серии HCT могут использоваться непосредственно, как потребляющая малую мощность замена многих маломощных Шотки/ТТЛ ИС, применяемых в уже работающих системах. Кроме того, логические ИС серии НСТ — это приборы, которые среди всех современных серий ИС наилучшим образом подходят для использования в схемах интерфейсов. До тех пор пока среди логических К/МОП не появятся схемы с задержками на вентиль менее 2 нс интегральные схемы серии HCT будут доминировать во всех разработках интерфейсов. Хотя схемы серии HCT в случае низкого логического уровня имеют примерно такую же помехоустойчивость, как и ТТЛ ИС, разработчики комюьютеров могут использовать и для тех и для других типов ИС печатные платы с теми же полосковыми линиями и с теми же методами развязки.

В настоящее время свыше десятка изготовителей полупроводниковых приборов разрабатывают шаблоны с тем, чтобы использовать технологию производства ИС серий HC и HCT для дублирования почти всех МШ/ТТЛ ИС. По технологии HC и HCT-схем разрабатываются такие приборы, как аналоговые мультиплексоры, аналоговые ключи, мультивибраторы с большой постоянной времени, а также фазочувствитель-ные приборы, которые не могут быть изготовлены гю ТТЛ-технологии. Различные вентили и инверторы из новых серий быстродействующих К/МОП ИС благодаря сочетанию малой задержки при прохождении сигнала и характерных для К/МОП-технологии отличных буферных характеристик, обусловленных высоким входным и малым выходным импедансами, могут быть использованы для создания мультивибраторов с широкими возможностями, работающих на частотах свыше 100 МГц, а также линейных широкополосных усилителей для видеоустройств.

С тем чтобы облегчить ситуацию для пользователей, совет JEDEC выпустил на приборы серий HC и HCT стандарт №7 — высокостан-дартизованную систему параметров. Эти спецификации дают полное представление об условиях и пределах изменения. Для К/МОП ИС серии НС параметры оговорены при напряжениях 2;4,5 и 6 В для трех температурных диапазонов:+25°С для проверок при комнатной температуре; —40 — +85°С для коммерческой аппаратуры и —55 — +125°С для военной аппаратуры или аппаратуры, работающей в тяжелых окружающих условиях. Параметры для переменного сигнала оговорены при нагрузочной емкости 50 иФ, что является более реалистичным, чем нагрузочная емкость 15 пФ в случае системы параметров, оговоренной для МШ/ТТЛ ИС. Изготовители в своих каталогах следуют этому подробному стандарту. Безусловно, что они с одобрением встретят полную систему параметров и характеристик, содержащуюся в стандарте №7 совета JEDEC.

Движущая сила

В значительно большей степени, чем что-либо другое, движущей силой, обусловившей успех логических ИС серий HC и HCT, является технология. Переход в логических К/МОП ИС к длине затворов 3 мкм позволил получить времена задержки на вентиль порядка 8 нс. Еще одно ограничение классических К/МОП ИС с металлическими затворами — умеренные величины втекающих и вытекающих токов выходных каскадов — может быть устранено при переходе к технологии, в которой используются поликремниевые затворы. Во всех приборах серий НС и НСТ токи стоков и истоков могут достигать 4 мА, а в таких приборах, как 8-разрядный регистр-фиксатор, линейные формирователи, триггеры и приемопередатчики, выходные втекающие и вытекающие токи составляют 6 мА (см. «Малые кристаллы и соответствующая технология позволяют повысить быстродействие К/МОП ИС»).

Проектирование схем и топологическая разработка стандартных логических ИС серий HC и HCT осуществляются в основном без применения компьютеров. Размеры и положение p- и n-канальных МОП-транзисторов оптимизируются проектировщиками «вручную» и с помощью интерактивного машинного проектирования, что позволяет уменьшить размер кристалла со структурой ИС и повысить быстродействие.

Прежде всего при проектировании схем, топологической разработке и выборе технологии должна быть сведена к минимуму или полностью исключена вероятность срабатывания паразитных кремниевых управляемых выпрямителей, имеющихся в структуре К/МОП ИС. Эти паразитные КУВы могут вызывать повреждение К/МОП ИС. Помимо этого, у логических входов размещаются шунтирующие диоды и замедляющие RC-цепочки для того, чтобы обеспечить хорошую защиту от электростатических разрядов.

Стандарт №7 совета JEDEC для ИС серий HC и HCT оговаривает, что эти ИС должны выдерживать перегрузочные входные токи ±20 мА в температурном диапазоне от —55 до +125°С. Помимо этого, в указанном диапазоне не допускаются срабатывание КУВов или значительные токи в паразитных биполярных структурах. В типичных случаях многие из этих приборов способны выдерживать изменение тока на входе порядка 100 мА и более без срабатывания паразитных КУВов.

Радужные перспективы

Одной из самых радужных перспектив для логических К/МОП ИС является имеющаяся в настоящее время тенденция создания систем с малыми напряжениями питания (порядка 2 В). Поскольку К/МОП ИС серии HC — единственная серия логических цифровых ИС, работающих при столь низком напряжении питания, эти особо низковольтные системы будут состоять исключительно из К/МОП ИС. Многие микропроцессоры и ЗУ для систем подобного рода уже разрабатываются, а К/МОП ИС серии НС подойдут для всех скоростных применений, за исключением тех, где требуется наиболее высокое быстродействие.

Так, JEDEC утвердил стандарт №8 для низковольтных К/МОП СБИС. Оговорено питание, стабилизируемое с погрешностью ±0,ЗВ, а также диапазон напряжений питающих батарей (от 2 до 3,6 В). Обе эти характеристики включены в стандарт №7 совета JEDEC, распространяющийся на К/МОП ИС серии HC, работающие от напряжения питания в диапазоне 2—6 В.

Наиболее очевидный выигрыш при переходе к системам, работающим от напряжений 2— 3,6 В, заключается в чрезвычайно малом потреблении мощности; 3-В система расходует около трети мощности, потребляемой 5-В системой. Менее очевидным, чем экономия мощности, но, быть может, еще более важным является уменьшение помех. Электромагнитные помехи в низковольтных системах уменьшаются, а логические ошибки, возникающие в результате перекрестных связей, и импульсы помех на межсоединениях сводятся к минимуму.

Зарядка и разрядка емкости выходным логическим сигналом К/МОП ИС в логических режимах вызывает генерацию импульсов тока, которые в свою очередь генерируют напряжение помех. Широкополосные помехи, генерируемые при скоростном переключении логических сигналов, зависят как от перепадов напряжения, так и от времен нарастания. При уменьшении напряжения с 5 до 3 В и при характерном для типичных случаев удвоении времен нарастания и спада переходные импульсы при напряжении питания 3 В на 25% меньше, чем при напряжении питания 5 В. Однако, когда эти импульсы фактически попадают на логические входы, их чувствительность к энергии помехи оказывается на 33% меньше, чем при работе от напряжения питания 5 В.

До того как были разработаны К/МОП ИС серии НС, управление большими емкостными нагрузками с быстрыми временами нарастания и спада с помощью К/МОП ИС было затруднительно. Приборы серий HC и HCT обеспечивают такие же втекающие выходные токи, как и кристаллы со структурными МШ/ТТЛ, и гораздо более высокие вытекающие токи. Поэтому в К/МОП ИС серий HC и HCT времена нарастания и спада переходных процессов оказываются гораздо лучше сбалансированными, и в результате задержка при прохождении сигнала через емкостную нагрузку также оказывается сбалансированной.

Так как время задержки при прохождении сигнала через К/МОП ИС меняется обратно пропорционально напряжению питания, размеры структур приходится уменьшать, а это в свою очередь обеспечивает сохранение высокого быстродействия при более низких рабочих напряжениях. В настоящее время изготовители полупроводниковых приборов экспериментируют с уменьшенными вариантами используемых в производстве шаблонов. Уже изготовлены опытные образцы К/МОП ИС с 1- и 2-мкм размерами элементов.

Еще одно важное соображение, относящееся к работе К/МОП ИС при низких напряжениях, связано с потреблением мощности. Чтобы определить эту характеристику, необходимо выявить среднее быстродействие системы, которое обычно гораздо ниже, чем ее тактовая частота. Среднее быстродействие может быть определено на основании рассмотрения скважности временной диаграммы выполнения логической функции. Иными словами, его можно определить, усредняя скоростные пакетные режимы, режимы ожидания и малоскоростные рабочие режимы.

Мощность потребления

Что касается временной диаграммы системы, то ее определение связано с некоторыми интересными соображениями. Во-первых, лишь несколько кристаллов со схемами интерфейсов должны работать в системе с тактовой частотой. Для некоторых систем требуется небольшое число быстродействующих биполярных приборов, таких, для которых время задержки не превосходит 5 нс. Однако число таких кристаллов обычно минимально, так как они потребляют большую мощность. В большинстве применений кристаллы со структурами ИС серий НС и НСТ способны заменить МШ/ТТЛ ИС, обеспечивая эквивалентное быстродействие при существенно меньшей потребляемой мощности.

На рис.2 показана зависимость в схемах линейных приемопередатчиков мощности потребления К/МОП и МШ/ТТЛ ИС от частоты. До критической частоты, равной 10 МГц, К/МОП ИС серии НС потребляет значительно меньшую мощность, чем аналогичная ей МШ/ТТЛ ИС. Надо, однако, заметить, что средняя рабочая частота в системах лишь в редких случаях достигает 10 МГц. В реальных условиях эта частота лежит обычно в диапазоне килогерц.

Мощность, рассеиваемая К/МОП-кристаллом типа 74HC243, зависит от частоты переключений. Независимо от того, работают все четыре или только один из четы
Рис.2. Мощность, рассеиваемая К/МОП-кристаллом типа 74HC243, зависит от частоты переключений. Независимо от того, работают все четыре или только один из четырех размещенных на кристалле функциональных блоков, кристалл ТТЛ ИС типа 74LS243 потребляет значительную мощность не только на высоких частотах, но и в ждущем режиме.

На рисунке проиллюстрирован также тот факт, что мощность, потребляемая К/МОП ИС, линейно зависит от индивидуального вклада каждого из четырех приемопередатчиков. Что же касается мощности, потребляемой МШ/ТТЛ ИС, то на частотах до 1 МГц она определяется мощностью, потребляемой на постоянном токе всей схемой. На более высоких частотах мощность увеличивается пропорционально числу переключаемых функций.

В таблице приведен типичный пример, из которого видно, насколько логические ИС серии HCT позволяют уменьшить потребляемую мощность по сравнению с МШ/ТТЛ ИС. В рассматриваемом случае шесть D-триггеров делят 8-МГц тактовый сигнал до частоты 125 кГц. В таблице сравнивается потребление мощности идентичными HCT- и МШ/ТТЛ-триггерами. В первом каскаде делителя, где частота максимальна, ИС серии HCT потребляет примерно на 40% меньшую мощность, чем МШ/ТТЛ ИС. Однако с уменьшением частоты различие в величине потребляемой мощности становится все более резким и в последнем каскаде, работающем на низкой частоте, оно особенно велико.

Экономия мощности в делителе на трех ИС: сравнение К/МОП ИС типа 74HCT74 с ТТЛ ИС типа 74LS74

Показатель

ИС-1

ИС-2

ИС-3

 

Номер каскада*

1—2

2—2

3—2

4 2

5-2

6—2

 

Входная частота, МГц

8

4

2

1

0,5

0,25

 

Мощность, потребляемая схемой 74LS74, мВт

22,0

18,0

16,0

14,0

13,0

12,0

Всего: 95

Мощность, потребляемая схемой 74HCT74, мВт

15,0

8,0

4,0

2,0

1,0

0,5

Всего: 30,5

% мощности, сберегаемой при замене МШ/ТТЛ ИС на К/МОП ИС

32

55

75

86

92

96

Суммарная экономия мощности: 68%

* Все каскады представляют собой D-триггеры

При современном состоянии технологии К/МОП ИС с затворами длиной 3 мкм к основным областям применения быстродействующих ИС серии HCT следует отнести те, где требуется заменить биполярные ИС; ИС серии НС предназначены в основном для замены быстродействующих логических систем, в которых содержатся только К/МОП-компоненты. В обоих случаях может быть получена весьма важная выгода, если использовать эти К/МОП ИС вместо ТТЛ ИС: потребление мощности намного снизится, помехоустойчивость сильно возрастет, а диапазон рабочих температур станет намного шире. К/МОП ИС обычно работают в диапазоне температур от —40 до +85°С, в то время как диапазон рабочих температур биполярных ИС составляет 0—70°С.

Быстродействующие К/МОП ИС характеризуются намного более высоким быстродействием, чем более старые приборы, такие, как ИС серии 4000B. Несмотря на это, разработчики, использующие более старую серию, не должны автоматически стремиться перейти на новые ИС только потому, что их можно приобрести. Надо подходить к этому вопросу более осмотрительно хотя бы потому, что высокочастотные переходные процессы в быстродействующих логических ИС могут быть причинами помех. Так как в более старых разработках, где используются К/МОП ИС с металлическими затворами, обычно не делается развязок и в их конструкции не принято мер для предотвращения воздействия быстро изменяющихся сигналов, характерных для кристаллов нового поколения, замена новыми приборами старых может вызвать проблемы, связанные с помехами. Кроме того, К/МОП ИС серии 4000В обладают устойчивостью к помехам с более высокой энергией, чем те, к которым устойчивы новые ИС.

Дочерние статьи:

Малые кристаллы и соответствующая технология позволяют повысить быстродействие К/МОП ИС

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.07 (688), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.55

Electronics Vol.57 No.07 April 5, 1984 A McGraw-Hill Publication

R.E.Funk. Fast C-MOS logic bids for TTL sockets in most systems, pp.134—137.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     К/МОП-технология





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/RCA/D19840405Elc030.shtml