Занимательная микроэлектроника

Выходные транзисторы КМОП, как и любые другие полевые транзисторы, при перегрузке (например, в режиме короткого замыкания) работают, как источники тока: при напряжении питания 15 В этот ток для КМОП-элементов базовой серии составит около 30 мА, при 5 В — около 5 мА. Нагрузка при сохранении требований к логическим уровням (которые здесь обычно полагается иметь в пределах от 0 В до 0,1 U_пит

— логический ноль, и от U_пит

до 0,91U_пит

— логическая единица) номинально ограничена величиной примерно 1 кОм (т. е. ток порядка 1 мА). Но для некоторых разновидностей (как для выходов микроконтроллеров AVR) допустимый ток значительно выше, и может достигать 20–40 мА. Причем это штатный долгосрочный режим работы таких элементов, единственное, что при этом надо проверить: не превышается ли предельно допустимое значение рассеиваемой мощности для корпуса (0,5–0,7 Вт). В противном случае, возможно, придется ограничить число выходов, одновременно подключенных к низкоомной нагрузке.

Заметки на полях

ТТЛ-микросхемы значительно менее удобны на практике, поскольку для них характерно балансирование десятыми вольта: напряжение логического нуля составляет не более 0,8 В, напряжение порога переключения от 1,2 до 2 В, напряжение логической единицы не менее 2,4 В. Иногда вы и сейчас можете встретить подобные требования к логическим уровням (в целях совместимости). ТТЛ могут работать в довольно узком диапазоне напряжений питания: практически от 4,5 до 5,5 В, а нормы предполагают обычно от 4,75 до 5,25 В, т. е. 5 В ±5 %. Максимально допустимое напряжение питания составляет для разных ТТЛ-серий от 6 до 7 В, при превышении его они обычно «горят ясным пламенем». Низкий и несимметричный относительно питания порог срабатывания элемента приводит и к невысокой помехоустойчивости. Другим крупным (и даже более серьезным, чем остальные) недостатком ТТЛ является высокое потребление (до 2,5 мА на один базовый элемент), так что приходится только удивляться, почему микросхемы ТТЛ, содержащие много таких элементов, не требуют охлаждающего радиатора. По всем этим причинам, даже если вы будете повторять старые схемы на ТТЛ-микросхемах, их рекомендуется заменять на современные АС или НС-элементы КМОП, с которыми они совместимы по выводам.

И тут мы плавно переходим к основному недостатку базовых КМОП-технологий — низкому (в сравнении ТТЛ) быстродействию. Это обусловлено тем, что изолированный затвор МОП-транзистора представляет собой конденсатор довольно большой емкости (в базовом элементе до 10–15 пФ). В совокупности с выходным резистивным сопротивлением предыдущей схемы такой конденсатор образует фильтр нижних частот. Обычно рассматривают не просто частотные свойства, а время задержки распространения сигнала на один логический элемент, которое может достигать у базовой серии КМОП величины 250 не (сравните: у базовой серии ТТЛ — всего 10 нс), что соответствует одному периоду частоты 4 МГц. На практике при напряжении питания 5 В быстродействие базового КМОП не превышает 13 МГц. Попробуйте соорудить на логических элементах генератор прямоугольных сигналов по любой их схем, которые будут разобраны далее, и вы увидите, что уже при частоте 1 МГц форма сигнала будет скорее напоминать синусоиду, чем прямоугольник.

Другим следствием высокой входной емкости является то, что при переключении возникает импульс тока перезарядки этой емкости, т. е. чем выше рабочая частота, тем больше потребляет микросхема, и при максимальных рабочих частотах ее потребление может сравниться с потреблением ТТЛ.