Выход cmos что это
Что такое CLR CMOS на материнской плате и для чего сделана?
Всем привет! Сегодня обсудим CLR CMOS на материнской плате: что это такое, для чего нужен и как работает, нужен ли такой выход обычному юзеру. О том, что такое spdif out на материнской плате, можно почитать тут.
Что это такое
Это микросхема на материнской плате, на которой записан БИОС. Независимо от производителя материнской платы — ASUS, Gigabyte, Asrock, MSI или любого другого, а также производителя BIOS и его версии, разработчиками предусмотрена возможность сброса установок до дефолтных.
Зачем это надо? В результате неправильных действий пользователь может выставить такие настройки, при которых система стабильно работать не будет. Варианты тут разнообразные: как незначительные лаги при повышении нагрузки, так и постоянный уход в синий экран при попытке загрузить операционную систему.
К счастью, у нас есть «волшебная кнопка», с помощью которой можно сбросить установки до дефолтных. Вернее, это даже не кнопка: технически это коннектор 2 pin или на 3 пина, который обычно маркируется CLR CMOS (от английского Clear — очистить).
Также процедура помогает, если вы установили пароль на вход, но забыли его.
Как замкнуть контакты чтобы сбросить настройки
В нормальной позиции это «оголенные провода»: если замкнуть эту пару контактов, произойдет сброс настроек независимо от желания пользователя ПК.
В трехпиновом коннекторе нужно переставить перемычку с коннекторов 1-2 на 2-3. Все, сброс произошел, можно переставлять обратно и заново настраивать БИОС, если есть такая необходимость.
На старых моделях материнок еще можно увидеть 2-пиновый clr cmos. Чтобы замкнуть контакты, можно воспользоваться обычной скрепкой: проходящего тока будет достаточно. Этим же методом можно воспользоваться, если у 3-пинового коннектора утеряна перемычка: просто замкните 2-й с 3-м.
Если пользователь случайно нажал на пару коннекторов пальцем, то скорее всего ничего не произойдет: проводимости кожи недостаточно для короткого замыкания.
Альтернативный вариант
Настройки БИОС, включая системную дату, остаются неизменными, даже если компьютер или ноутбук полностью обесточен: например, вы без монитора и прочей периферии перевозите его в соседний город.
Кстати, сброс BIOS происходит, даже если замкнуть перемычку у выключенного компа, имейте в виду.
Так вот, за питание микросхемы CMOS отвечает батарейка формата CR 2032 — круглая плоская «таблетка», которая очень часто используется также в электронных весах.
Если вытащить батарейку, микросхема потеряет питание и обнулит настройки БИОСа до дефолтных. Такой вот нехитрый способ, которым можно воспользоваться, если вы не нашли перемычку СLR СMOS.
Также для вас будут полезны публикации «Как узнать sata 2 или sata 3 на системной плате» и «Как узнать ревизию материнки». Буду признателен всем, кто поделится этой публикацией в социальных сетях. До скорой встречи!
Что такое CMOS и для чего он нужен?
CMOS и батарея CMOS: все, что нужно знать
CMOS (сокр. комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) — это термин, который обычно используется для описания небольшого объема памяти на материнской плате компьютера, в которой хранятся настройки BIOS. Некоторые из этих настроек BIOS включают системное время и дату, а также настройки оборудования.
Датчик CMOS — используется цифровыми камерами для преобразования изображений в цифровые данные.
Другие названия CMOS
CMOS (произносится цмос) иногда называют часами реального времени (RTC), CMOS RAM, энергонезависимой RAM (NVRAM), энергонезависимой памятью BIOS или комплементарной симметрией металл-оксид-полупроводник (COS-MOS).
CMOS также является аббревиатурой других терминов, которые не связаны с тем, о чем говорится на этой странице, таких как операционная система управления сотовой связью и сравнительный средний балл.
Очистка CMOS
Большинство разговоров о CMOS включает в себя «очистку CMOS», что означает сброс настроек BIOS до начальных значений. Это простая задача, которая является отличным шагом для устранения многих типов компьютерных проблем.
Например, возможно, ваш компьютер зависает во время процедуры POST, и в этом случае простейшим решением может быть очистка CMOS для сброса настроек BIOS до заводских значений по-умолчанию.
Может быть, вам нужно очистить CMOS, чтобы сбросить неправильно настроенные параметры BIOS, чтобы исправить некоторые сообщения об ошибках, связанных с оборудованием, например, ошибки Code 29.
Как BIOS и CMOS работают вместе
BIOS представляет собой компьютерный чип на материнской плате, такой как CMOS, за исключением того, что он предназначен для связи между процессором и другими аппаратными компонентами, такими как жесткий диск, порты USB, звуковая карта, видеокарта и многое другое. Компьютер без BIOS не поймет, как эти части компьютера работают вместе.
Микропрограмма BIOS также выполняет самотестирование при включении питания для проверки этих аппаратных компонентов и, в конечном счете, запускает загрузчик для запуска операционной системы.
CMOS также является компьютерным чипом на материнской плате, или, более конкретно, чипом ОЗУ, что означает, что он обычно теряет настройки, которые он хранит при выключении компьютера (например, содержание оперативной памяти не сохраняется при каждой перезагрузке компьютера). Тем не менее, батарея CMOS используется для обеспечения постоянного питания чипа.
Когда компьютер загружается в первый раз BIOS извлекает информацию из чипа CMOS, чтобы принять настройки оборудования, время и все, что в нем хранится. Чип обычно хранит всего 256 байтов информации.
Что такое батарея CMOS?
CMOS обычно питается от батарейки CR2032 размером с монету, называемой CMOS батареей.
Большинство батарей CMOS работают в течение всего срока службы материнской платы, в большинстве случаев до 10 лет, но иногда их необходимо заменить.
Неправильная или сбивающаяся системная дата и время, а также потеря настроек BIOS являются основными признаками разряженной или умирающей батареи CMOS. Заменить заменить ее очень просто.
Подробнее о CMOS и CMOS батарее
В то время как большинство материнских плат имеют место для батареи CMOS, некоторые небольшие компьютеры, такие как планшеты и ноутбуки, имеют небольшой внешний отсек для батареи CMOS, которая подключается к материнской плате через два маленьких провода.
Некоторые устройства, которые используют CMOS, включают в себя микропроцессоры, микроконтроллеры и статическое ОЗУ (SRAM).
Важно понимать, что CMOS и BIOS не являются взаимозаменяемыми терминами для одного и того же. Хотя они работают вместе для выполнения определенной функции в компьютере, они представляют собой два совершенно разных компонента.
Когда компьютер впервые запускается, есть возможность загрузиться в BIOS или CMOS. Открытие настройки CMOS — это то, как вы можете изменить сохраняемые настройки, такие как дата и время, и как запускаются различные компоненты компьютера. Вы также можете использовать настройку CMOS для отключения / включения некоторых аппаратных устройств.
Чипы CMOS желательны для устройств с батарейным питанием, таких как ноутбуки, потому что они потребляют меньше энергии, чем чипы других типов. Хотя они используют как цепи с отрицательной полярностью, так и цепи с положительной полярностью (NMOS и PMOS), одновременно включается только один тип цепи.
Эквивалентом CMOS для Mac является PRAM, что означает параметры RAM. Вы также можете сбросить PRAM вашего Mac.
Что такое матрица CMOS на материнской плате?
Если извлечь батарею, то произойдет сброс настроек BIOS до их уровней по умолчанию. Это действительно простая задача, которая считается отличным шагом для устранения многих типов компьютерных проблем.
Как еще называют чип CMOS?
КМОП иногда называют часами реального времени (RTC), ОЗУ КМОП, энергонезависимой ОЗУ (NVRAM), энергонезависимой памятью BIOS или комплементарной симметрией металл-оксид-полупроводник (COS-MOS).
Как BIOS и CMOS работают вместе?
BIOS представляет собой компьютерный чип на материнской плате, такой как CMOS, за исключением того, что он предназначен для связи между процессором и другими аппаратными компонентами, такими как жесткий диск, порты USB, звуковая карта, видеокарта и многое другое. Компьютер без BIOS не поймет, как эти части компьютера работают вместе.
Смотрите наш Что такое BIOS? часть для получения дополнительной информации о BIOS.
CMOS также считается компьютерным чипом на материнской плате, или, более конкретно, чипом ОЗУ, это означает, что он теряет настройки, которые хранит при выключении компьютера. Тем не менее, батарея CMOS используется для обеспечения постоянного питания чипа.
Когда компьютер загружается в первый раз, BIOS извлекает информацию из чипа CMOS, чтобы понять настройки оборудования, время и все, что в нем хранится.
Что такое батарея CMOS?
CMOS обычно питается от батарейки типа CR2032, называемой батареей CMOS. Большинство батарей CMOS работают в течение срока службы материнской платы, в большинстве случаев до 10 лет, но иногда их необходимо заменить.
Неправильная или медленная системная дата и время, а также потеря настроек BIOS считаются основными признаками разряженной или выходящей из строя батареи CMOS. Заменить их так же просто, как заменить неисправный на новый.
Подробнее о матрицах CMOS и CMOS аккумуляторах
В то время как большинство материнских плат имеют место для батареи CMOS, некоторые небольшие компьютеры, такие как планшеты и ноутбуки, имеют небольшой внешний отсек для батареи CMOS, которая подключается к материнской плате через два маленьких провода.
Некоторые устройства, которые используют CMOS, включают в себя микропроцессоры, микроконтроллеры и статическое ОЗУ (SRAM).
Важно понимать, что CMOS и BIOS не являются взаимозаменяемыми терминами для одного и того же. Хотя они работают вместе для выполнения определенной функции в компьютере, они представляют собой два совершенно разных компонента.
Чипы CMOS желательны для устройств с батарейным питанием, таких как ноутбуки, потому что они потребляют меньше энергии, чем чипы других типов. Хотя они используют как цепи с отрицательной полярностью, так и цепи с положительной полярностью (NMOS и PMOS), одновременно включается только один тип цепи.
Эквивалентом CMOS для Mac является PRAM, что означает RAM параметр.
CMOS-технология
CMOS-технология — одна из нескольких технологий разработки и построения схем электроники. Само название технологии является аббревиатурой английского выражения — complementary metal-oxide-semiconductor. В русской транскрипции — КМОП, или комплементарная логика с транзисторами на металл-оксид-полупроводнике.
Работа транзисторов МОП-структуры основана на полевом эффекте, открытом ещё в 20-х годах девятнадцатого века. В микросхемах, построенных по CMOS-технологии, применяются пары полевых транзисторов с одинаковыми параметрами, но с разными проводимостями изолированных затворов. Если у одного транзистора затвор p-типа, то у другого он n-типа; следствием такой структуры является более высокое быстродействие.
Схемы CMOS изобрёл американский инженер Фрэнк Вонлас в 1963-м году, а первые микросхемы по этой технологии появились уже в 1968-м. Эти схемы отличаются от схем, выполненным по другим технологиям — ЭСЛ, ТТЛ и др. ничтожно малым энергопотреблением в режиме «покоя», что обусловливается отсутствием каких-либо нагрузочных резисторов. Основной расход энергии происходит в моменты переключений состояния схемы, в остальное время транзисторы закрыты, и через них протекает только ток утечки, которым, в большинстве случаев, можно пренебречь. Такие микросхемы нашли широкое применение в электронных устройствах с питанием от батарей — часы, микрокалькуляторы, сотовые телефоны и др. — где энергосбережение является одним из определяющих факторов.
По мере совершенствования технологии изготовления микросхем и интеграции в одном пикселе приёмника информации, средств её обработки и вывода, появилась возможность производства CMOS-матриц больших размеров. Такие матрицы применяются в различных видеокамерах, на их базе конструируются цифровые фотоаппараты, охранные датчики в системах безопасности и др.
CMOS матрица
В неразрушающем контроле CMOS-матрицы используются в видеоэндоскопах при обследовании труднодоступных мест, а также они являются основной частью детекторов рентгеновского излучения. В качестве примера можно привести детектор, выполненный на основе матрицы светочувствительных элементов из аморфного кремния — а-Si, где сцинтиллятором служит оксисульфид гадолиния — Gd2O2S.
Фрэнк Вонлас, в 1963-м году создал первую схему CMOS
Микросхемы КМОП — идеальное семейство логических схем
ВВЕДЕНИЕ
Давайте поговорим о характеристиках идеального семейства логических микросхем. Они не должны рассеивать мощность, иметь нулевую задержку распространения сигнала, управляемые времена нарастания и спада сигнала, а также иметь помехоустойчивость, эквивалентную 50% размаха выходного сигнала.
Параметры современных семейств КМОП-микросхем (комплементарных МОП) приближаются к этим идеальным характеристикам.
Во-первых, КМОП-микросхемы рассеивают малую мощность. Типовое значение статической рассеиваемой мощности составляет порядка 10 нВ на один вентиль, которая образуется токами утечки. Активная (или динамическая) рассеваемая мощность зависит от напряжения источника питания, частоты, выходной нагрузки и времени нарастания входного сигнала, но ее типовое значение для одного вентиля при частоте 1 МГц и нагрузке емкостью 50 пФ не превышает 10 мВт.
Во-вторых, время задержки распространения сигнала в КМОП-вентилях хотя и не равно нулю, но достаточно мало. В зависимости от напряжения источника питания, задержка распространения сигнала для типового элемента находится в диапазоне от 25 до 50 нс.
В третьих, времена нарастания и спада контролируемы, и представляют собой скорее линейные, чем ступенчатые функции. Обычно времена нарастания и спада имеют на 20-40% большие значения, чем время задержки распространения сигнала.
И, наконец, типовое значение помехоустойчивости приближается к 50% и составляет приблизительно 45% от амплитуды выходного сигнала.
Еще одним немаловажным фактором, свидетельствующим в пользу КМОП-микросхем, является их малая стоимость, особенно при использовании в портативном оборудовании, питающемся от маломощных батарей.
Источники питания, в системах, построенных на КМОП-микросхемах, могут быть маломощными, и, как следствие, недорогими. Благодаря малой потребляемой мощности, подсистема питания может быть проще, а значит дешевле. В радиаторах и вентиляторах нет необходимости, благодаря низкой рассеиваемой мощности. Непрерывное совершенствование технологических процессов, а также увеличение объемов производства и расширение ассортимента выпускаемых КМОП-микросхем приводит к снижению их стоимости.
Существует множество серий логических микросхем КМОП-структуры. Первой из них была серия К176, далее К561 (CD4000AN) и КР1561 (CD4000BN), но наибольшее развитие функциональные ряды получили в сериях КР1554 (74ACxx), КР1564 (74HCxx) и КР1594 (74ACTxx).
Функциональные ряды современных КМОП-микросхем серий КР1554, КР1564 и КР1594 содержат полнофункциональные эквиваленты микросхем ТТЛШ-серий КР1533 (74ALS) и К555 (74LS), которые полностью совпадают как по выполняемым функциям, так и по разводке выводов (цоколевке). Современные КМОП-микросхемы по сравнению с их прототипами, сериями К176 и К561, потребляют значительно меньшую динамическую мощность и многократно превосходят их по быстродействию.
Таблица 1. Сравнение электрических параметров КМОП и ТТЛШ-схем
КМОП с ПКК-затвором
КМОП с ПКК-затвором
КМОП с Метали-ческим.-затвором
Улучшенная Малопотреб-ляющая ТТЛШ
Power dissipation per gate (mW)
При частоте 100 кГц
Время задержки распространения
Максимальная тактовая частота
Минимальный выходной ток (мА)
Выходы с повышенной нагрузочной способностью
Коэффициент разветвления по выходу (Нагрузка на на один вход К555)
Выходы с повышенной нагрузочной способностью
Максимальный входной ток, IIL (мА) (VI = 0,4 В)
Цель данного раздела заключается в том, чтобы дать разработчику системы необходимые сведения о том, как работают цифровые микросхемы структуры КМОП и ведут себя при воздействии различных управляющих сигналов. Достаточно много было написано о конструкции и технологии производства микросхем КМОП, поэтому здесь рассмотрим только схемотехнические особенности микросхем этого семейства.
Основной КМОП-схемой является инвертор, показанный на рис. 1. Он состоит из двух полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения: с каналом P-типа (верхний) и каналом N-типа (нижний). Для обозначения выводов питания приняты: VDD или VCC — для положительного вывода и VSS или GND — для отрицательного. Обозначения VDD и VCC позаимствованы из обычных МОП-схем и символизируют источники питания истока и стока транзисторов. Они не относятся непосредственно к схемам КМОП, поскольку выводами питания являются истоки обоих комплементарных транзисторов. Обозначения VSS или GND позаимствованы от ТТЛ-схем, и эта терминология сохранилась и для КМОП-микросхем. Далее будут указываться обозначения VCC и GND.
Логическими уровнями в КМОП-системе являются VCC (логическая “1”) и GND (логический “0”). Поскольку ток, протекающий во “включенном” МОП-транзисторе практически не создает на нем падения напряжения, и поскольку входное сопротивление КМОП-вентиля очень велико (входная характеристика МОП-транзистора, в основном, емкостная и выглядит подобно вольтамперной характеристике МОП-транзистора сопротивлением 1012 Ом, зашунтированного конденсатором емкостью 5 пФ), то и логические уровни в КМОП-системе будут практически равны напряжению источника питания.
Теперь давайте посмотрим на характеристические кривые МОП-транзисторов, для того чтобы получить представление о том, как времена нарастания и спада, задержки распространения сигнала и рассеиваемая мощность будут изменяться с изменением напряжения источника питания и емкости нагрузки.
На рис. 2 показаны характерные кривые N-канального и P-канального полевых транзисторов, работающих в режиме обогащения.
Из этих характеристик следует ряд важных выводов. Рассмотрим кривую для N-канального транзистора с напряжением Затвор-Исток равным VGS=15 В. Следует заметить, что для постоянного управляющего напряжения VGS, транзистор ведет себя, как источник тока для значений VDS (напряжение Сток-Исток) больших, чем VGS-VT (VT-пороговое напряжение МОП-транзистора). Для значений VDS меньше VGS-VT транзистор ведет себя, в основном, подобно резистору.
Следует также заметить, что для меньших значений VGS кривые имеют аналогичный характер, за тем исключением, что величина IDS значительно меньше, и, в действительности, IDS возрастает пропорционально квадрату VGS. P-канальный транзистор имеет практически одинаковые, но комплементарные (дополняющие) характеристики.
В случае управления емкостной нагрузкой с помощью КМОП-элементов, начальное изменение напряжения, приложенного к нагрузке, будет иметь линейный характер, благодаря “токовой” характеристике на начальном участке, получаемой округлением преобладающей резистивной характеристики, когда значение VDS мало отличается от нуля. Применительно к простейшему КМОП-инвертору, показанному на рис. 1, по мере уменьшения напряжения VDS до нуля, выходное напряжение VOUT будет стремиться к VCC или GND, в зависимости от того, какой транзистор открыт: P-канальный или N-канальный.
Если увеличивать VCC, и, следовательно, VGS, инвертор должен развивать на конденсаторе большую амплитуду напряжения. Однако, для одного и того же приращения напряжения, нагрузочная способность IDS резко возрастает, как квадрат VGS, и поэтому времена нарастания и задержки распространения сигнала, показанные на рис. 3, уменьшаются.
Таким образом, можно видеть, что для данной конструкции, и, следовательно, фиксированного значения емкости нагрузки, увеличение напряжения источника питания увеличит быстродействие системы. Увеличение VCC увеличит быстродействие, но также и рассеиваемую мощность. Это верно по двум причинам. Во-первых, произведение CV2f, а значит мощность, возрастают. Это мощность, рассеиваемая в КМОП-схеме, или любой аналогичной схеме, по названной выше причине, при управлении емкостной нагрузкой.
Для указанных значений емкости нагрузки и частоты переключения, рассеиваемая мощность возрастает пропорционально квадрату падения напряжения на нагрузке.
Вторая причина заключается в том, что произведение VI или мощность, рассеиваемая на КМОП-схеме, возрастает с ростом напряжения источника питания VCC (для VCC>2VT). Каждый раз, когда схема переключается из одного состояния в другое, кратковременно возникает сквозной ток, протекающий от VCC к GND через два одновременно открытых выходных транзистора.
Поскольку пороговые напряжения транзисторов не изменяются с ростом VCC, то диапазон входного напряжения, в пределах которого верхний и нижний транзисторы одновременно находятся в проводящем состоянии, увеличивается с ростом VCC. В то же время, большее значение VCC обеспечивает большие значения управляющих напряжений VGS, которые также приводят к увеличению токов JDS. В связи с этим, если время нарастания входного сигнала равняется нулю, то через выходные транзисторы не было бы сквозного тока от VCC к GND. Эти токи возникают по той причине, что фронты входного сигнала имеют конечно малые времена нарастания и спада, и, следовательно, входное напряжение требует определенного конечно малого времени для прохождения диапазона, в котором два выходных транзистора включены одновременно. Очевидно, что времена нарастания и спада фронтов входного сигнала должны иметь минимальное значение, для уменьшения рассеиваемой мощности.
Давайте взглянем на передаточные характеристики (рис. 5), как они изменяются с изменением питающего напряжения VCC. Условимся считать, что оба транзистора в нашем простейшем инверторе имеют идентичные, но комплементарные характеристики и пороговые напряжения. Предположим, что пороговые напряжения, VT, равны 2V. Если VCC меньше порогового напряжения 2V, ни один из транзисторов не может быть включен, и схема работать не будет. На рис. 5а показана ситуация, когда напряжение источника питания в точности соответствует пороговому напряжению. В таком случае схема должна работать со 100% гистерезисом. Однако, это не совсем гистерезис, поскольку оба выходных транзистора закрыты, и выходное напряжение поддерживается на емкостях затворов, следующих по цепи схем. Если VCC находится в пределах одного и двух пороговых напряжений (рис. 5б), происходит уменьшение величины “гистерезиса”, по мере приближения VCC к значению, эквивалентному 2VT (рис. 5в). При напряжении VCC, эквивалентном двум пороговым напряжениям, “гистерезис” отсутствует; также нет сквозного тока через два одновременно открытых выходных транзистора в моменты переключений. Когда значение VCC превышает два пороговых напряжения, кривые передаточной характеристики начинают закругляться (рис. 5г). Когда VIN проходит через область, где оба транзистора открыты, т.е. в проводящем состоянии, токи, протекающие в каналах транзисторов, создают падения напряжений, дающие закругления характеристик.
Рассматривая КМОП-систему на предмет шума, необходимо рассматривать, по крайней мере, две характеристики: помехоустойчивость и запас помехоустойчивости.
Современные КМОП-схемы имеют типичное значение помехоустойчивости равное 0,45VCC. Это означает, что ложный входной сигнал, равный 0,45VCC или менее отличающийся от VCC или GND, не будет распространяться в системе, как ошибочный логический уровень. Это не означает, что на выходе первой схемы вообще не появится никакого сигнала. На самом деле, в результате воздействия сигнала помехи, на выходе появится выходной сигнал, но он будет ослаблен по амплитуде. По мере распространения этого сигнала в системе, он будет ослаблен последующими схемами еще больше, пока он совсем не исчезнет. Обычно такой сигнал не изменяет выходное состояние логического элемента. В обычном триггере, ложный входной синхронизирующий импульс амплитудой 0,45VCC не приведет к изменению его состояния.
Производитель КМОП-микросхем также гарантирует наличие запаса помехоустойчивости 1 Вольт во всем диапазоне питающих напряжений и температур и для любой комбинации входов. Это всего лишь отклонение характеристики помехоустойчивости, для которой гарантирован особый набор входных и выходных напряжений. Другими словами, из данной характеристики следует, что для того, чтобы выходной сигнал схемы, выраженный в Вольтах, находился в пределах 0,1VCC от значения соответствующего логического уровня (“нуля” или “единицы”), входной сигнал не должен превышать значение 0,1VCC плюс 1 Вольт выше уровня “земли” или ниже уровня “питания”. Графически данная ситуация показана на рис. 4.
Данные характеристики близко напоминают запас помехоустойчивости стандартных ТТЛ-схем, который составляет 0,4 В (рис. 6). Для полноты картины зависимости выходного напряжения VOUT от входного VIN, приведем кривые передаточных характеристик (рис. 5).
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМЕ
В данном разделе рассмотрены различные ситуации, возникающие при разработке системы: неиспользуемые входы, параллельное включение элементов для увеличения нагрузочной способности, разводка шин данных, согласование с логическими элементами других семейств.
Проще говоря, неиспользуемые входы не должны быть оставлены не подключенными. По причине очень большого входного сопротивления (1012 Ом), плавающий вход может дрейфовать между логическими “нулем” и “единицей”, создавая непредсказуемое поведение выхода схемы и связанные с этим проблемы в системе. Все неиспользуемые входы должны быть подключены к шине питания, “общему” проводу или другому используемому входу. Выбор совершенно не случаен, поскольку следует учитывать возможное влияние на выходную нагрузочную способность схемы. Рассмотрим, к примеру, четырехвходовый элемент 4И-НЕ, используемый, как двухвходовый логический вентиль 2И-НЕ. Его внутренняя структура показана на рис. 7. Пусть входы A и B будут неиспользуемыми входами.
Если неиспользуемые входы должны быть подключены к фиксированному логическому уровню, тогда входы A и B должны быть подключены к шине питания, чтобы разрешить работу остальных входов. Это приведет к включению нижних A и B транзисторов и выключению соответствующих верхних A и B. В таком случае, не более двух верхних транзисторов могут быть включены одновременно. Однако если входы A и B подключены к входу C, входная емкость утроится, но каждый раз, когда на вход C поступает уровень логического “нуля”, верхние транзисторы A, B и C — включаются, утраивая значение максимального выходного тока уровня логической “единицы”. Если на вход D поступает также уровень логического “нуля”, все четыре верхних транзистора — включены. Таким образом, подключение неиспользуемых входов элемента И-НЕ к шине питания (ИЛИ-НЕ к “общему” проводу) приведет к их включению, но подключение неиспользуемых входов к другим используемым входам гарантирует увеличение выходного вытекающего тока уровня логической “единицы”, в случае элемента И-НЕ (или выходного втекающего тока уровня логического “нуля”, в случае элемента ИЛИ-НЕ).
Для последовательно включенных транзисторов увеличения выходного тока не происходит. Учитывая это обстоятельство, многовходовый логический элемент может быть использован для непосредственного управления мощной нагрузкой, к примеру, обмоткой реле или лампой накаливания.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В зависимости от типа логического элемента, объединение входов гарантирует увеличение нагрузочной способности для вытекающего или втекающего токов, но не двух одновременно. Для того чтобы гарантировать увеличение двух выходных токов необходимо параллельно включить несколько логических элементов (рис. 8). В таком случае, увеличение нагрузочной способности достигается за счет параллельного включения нескольких цепочек транзисторов (рис. 7), таким образом, увеличивая соответствующий выходной ток.
РАЗВОДКА ШИН ДАННЫХ
Для этого существует два основных способа. Первый способ — это параллельное соединение обычных буферных КМОП-элементов (например, К561ЛН2). И второй, наиболее предпочтительный, способ — соединение элементов с тремя выходными состояниями.
ФИЛЬТРАЦИЯ ПОМЕХ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Поскольку КМОП-схемы могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (3-15 В), необходима минимальная фильтрация. Минимальное значение напряжения источника питания определяется максимальной рабочей частотой самого быстрого элемента в системе (обычно очень небольшая часть системы работает на максимальной частоте). Фильтры должны быть выбраны из расчета поддержания питающего напряжения примерно посередине между указанным минимальным значением и максимальным напряжением, при котором микросхемы еще работоспособны. Однако если требуется минимизировать рассеиваемую мощность, напряжение источника питания должно быть выбрано как можно меньшим, при одновременном удовлетворении требований быстродействия.
МИНИМИЗАЦИЯ РАССЕИВАЕМОЙ МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ
Для того чтобы минимизировать энергопотребление системы, она должна работать на минимальной скорости, выполняя поставленную задачу при минимальном питающем напряжении. Мгновенные значения динамической (AC) и статической (DC) потребляемой мощностей возрастают, как при увеличении частоты, так и напряжения источника питания. Динамическая потребляемая мощность (AC) представляет собой функцию произведения CV2f. Это мощность, рассеиваемая в буферном элементе, управляющим емкостной нагрузкой.
Очевидно, что динамическая потребляемая мощность возрастает прямо пропорционально частоте и пропорционально квадрату напряжения источника питания. Она также возрастает с увеличением емкости нагрузки, определяемой, в основном, системой, и не является переменной величиной. Статическая (DC) потребляемая мощность рассеивается в моменты переключения и представляет собой произведение VI. В любом КМОП элементе возникает мгновенный ток от шины питания на “общий” провод (при VCC>2VT) рис. 9.
Максимальная амплитуда тока — это быстро возрастающая функция входного напряжения, которое, в свою очередь, представляет собой функцию напряжения источника питания (рис. 5г).
Действительная величина произведения VI мощности, рассеиваемой системой, определяется тремя показателями: напряжением источника питания, частотой и временами фронтов нарастания и спада входного сигнала. Очень важным фактором является время нарастания входного сигнала. Если время нарастания велико, рассеиваемая мощность возрастает, т.к. устанавливается токовый путь в течение всего времени, пока входной сигнал проходит область между пороговыми напряжениями верхнего и нижнего транзисторов. Теоретически, если время нарастания считать равным нулю, токовый путь не возникал бы, и VI мощность равнялась бы нулю. Однако, поскольку время нарастания имеет конечно малую величину, всегда появляется сквозной ток, который быстро возрастает с увеличением напряжения питания.
Есть еще одно обстоятельство, касающееся времени нарастания входного сигнала и потребляемой мощности. Если схема используется для управления большим числом нагрузок, время нарастания выходного сигнала будет возрастать. Это приведет к увеличению VI рассеиваемой мощности в каждом устройстве, управляемом такой схемой (но не в самой управляющей схеме). Если потребляемая мощность достигает критического значения, необходимо увеличить крутизну выходного сигнала параллельным включением буферных элементов или разделением нагрузок для того, чтобы уменьшить общую потребляемую мощность.
Теперь подведем итоги влияния эффектов напряжения источника питания, входного напряжения, времен нарастания и спада фронтов входного сигнала, емкости нагрузки на рассеиваемую мощность. Можно сделать следующие выводы:
СОГЛАСОВАНИЕ С ЛОГИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДРУГИХ СЕМЕЙСТВ
Существует два основных правила для согласования элементов всех других семейств с микросхемами КМОП. Во-первых, КМОП-схема должна обеспечивать необходимые требования по входным токам и напряжениям элементов других семейств. И, во-вторых, что еще важнее, амплитуда выходного сигнала логических элементов других семейств должна максимально соответствовать напряжению источника питания КМОП-схемы.
Существует целый ряд требований, которые необходимо обеспечить при согласовании P-МОП и КМОП-схем. Во-первых, это набор источников питания с различными напряжениями. Большинство P-МОП-схем рассчитаны для работы при напряжении от 17 В до 24 В, в то время как схемы-КМОП рассчитаны на максимальное напряжение 15 В. Другой проблемой P-МОП-схем, в отличие от КМОП, является значительно меньшая амплитуда выходного сигнала, чем напряжение источника питания. Выходное напряжение P-МОП-схем изменяется в пределах практически от более положительного потенциала питающего напряжения (VSS) до нескольких вольт выше более отрицательного потенциала (VDD). Поэтому, даже в случае работы P-МОП-схемы от источника напряжением 15 В, амплитуда ее выходного сигнала все равно будет меньше необходимой, чтобы обеспечить согласование с КМОП-схемой. Существует несколько способов решения данной проблемы, в зависимости от конфигурации системы. Рассмотрим два способа построения системы полностью на МОП-схемах и один способ, когда в системе используются ТТЛШ-схемы.
В первом примере используются только P-МОП и КМОП-схемы с напряжением питания менее 15 В (см. рис. 10). В этой конфигурации КМОП-схема управляет P-МОП непосредственно. Однако P-МОП-схема не может управлять КМОП напрямую, поскольку ее выходное напряжение уровня логического нуля значительно превышает нулевой потенциал системы. Для “подтягивания” выходного потенциала схемы к нулю, вводится дополнительный резистор RPD. Его величина выбирается достаточно малой, чтобы обеспечить желаемую постоянную времени RC при переключении выхода из “единицы” в “ноль” и, в то же время, достаточно большой, чтобы обеспечить необходимую величину уровня логической “единицы”. Этот способ подходит также и для выходов P-МОП-схем с открытыми стоками.
Другим способом в полностью МОП-системе является применение источника опорного напряжения на основе обычного стабилитрона для формирования более отрицательного потенциала, питающего КМОП-схему (рис. 11).
В этой конфигурации используется источник питания P-МОП-схемы напряжением 17-24 В. Опорное напряжение выбирается таким образом, чтобы уменьшить напряжение питания КМОП-схем до минимального размаха выходного напряжения P-МОП-схемы. КМОП-схема может по-прежнему управлять P-МОП непосредственно, но теперь, P-МОП-схема может управлять КМОП без “подтягивающего” резистора. Другими ограничениями являются: питающее напряжение КМОП-схем, которое должно быть меньше 15 В, и необходимость обеспечения опорным источником достаточного тока для питания всех КМОП-схем в системе. Это решение вполне пригодно, если источник питания P-МОП-схемы должен быть больше 15 В, и потребляемый ток КМОП-схемами достаточно мал, чтобы его мог обеспечить простейший параметрический стабилизатор.
Если в системе используются ТТЛШ-схемы, то должны быть, по крайней мере, два источника питания. В таком случае, КМОП-схема может работать от однополярного источника и управлять P-МОП-схемой непосредственно (рис. 12).
Согласование КМОП с N-МОП-схемами проще, хотя некоторые проблемы существуют. Во-первых, N-МОП-схемы требуют меньшего напряжения источника питания, обычно в диапазоне 5-12 В. Это позволяет согласовывать их с КМОП-схемами непосредственно. Во вторых, амплитуда выходного сигнала КМОП-схем находится в диапазоне практически от нуля до напряжения источника питания минус 1-2 В.
При более высоких значениях напряжения источника питания N-МОП и КМОП-схемы могут работать напрямую, поскольку выходной уровень логической единицы N-МОП-схемы будет отличаться от напряжения источника питания всего на 10-20%. Однако, при меньших значениях напряжения питания, напряжение уровня логической единицы будет меньше уже на 20-40%, поэтому необходимо включение “подтягивающего” резистора (рис. 13).
При согласовании данных семейств с КМОП-схемами возникают два вопроса. Во-первых, достаточно ли напряжения уровня логической единицы биполярных семейств для непосредственного управления КМОП-схемами? ТТЛ- и ТТЛШ-схемы вполне способны управлять КМОП-схемами серии 74HCXX напрямую без дополнительных “подтягивающих” резисторов. Однако, КМОП-схемами серии CD4000 (К561, КР1561) они управлять не способны, поскольку характеристики последних не гарантируют работоспособность в случае непосредственного подключения без подтягивающих резисторов.
ТТЛШ-схемы способны непосредственно управлять КМОП-схемами во всем диапазоне рабочих температур. Стандартные ТТЛ-схемы способны непосредственно управлять КМОП-схемами в большей части температурного диапазона. Однако, ближе к нижней границе температурного диапазона, напряжение уровня логической единицы ТТЛ-схем уменьшается и рекомендуется введение “подтягивающего” резистора (рис. 14).
Согласно зависимости допустимых значений напряжений входных уровней от напряжения источника питания для КМОП-схем (см. рис. 4), если входное напряжение превышает значение VCC-1,5 В (при VCC=5 В), то выходное напряжение не превысит 0,5В. Следующий КМОП-элемент усилит это напряжение 0,5 В до соответствующего напряжения VCC или GND. Напряжение уровня логической “1” для стандартных ТТЛ-схем составляет минимум 2,4 В при выходном токе 400 мкА. Это наихудший случай, поскольку выходное напряжение ТТЛ-схемы будет только приближаться к этому значению при минимальной температуре, максимальном значении входного уровня “0” (0,8 В), максимальных токах утечки и минимальном напряжении питания (VCC=4,5 В).
Если при определенных условиях выходное напряжение ТТЛ-схемы уровня логической “1” может упасть ниже VCC-1,5 В необходимо использовать резистор для управления КМОП-схемой.
Вторым вопросом является, сможет ли КМОП-схема обеспечить достаточный выходной ток, чтобы обеспечить входное напряжение уровня логического “0” для ТТЛ-схемы? Для логической “1” такой проблемы не существует.
Для ТТЛШ-схемы входной ток достаточно мал, чтобы обеспечить непосредственное управление двумя такими входами. Для стандартной ТТЛ-схемы входной ток в десять раз превышает ток ТТЛШ-схемы и, следовательно, выходное напряжение КМОП-схемы, в таком случае, превысит максимально допустимое значение напряжения уровня логического “0” (0,8 В). Однако, внимательно изучая спецификацию выходной нагрузочной способности КМОП-схем, можно заметить, что двухвходовый элемент И-НЕ может управлять одним ТТЛ-входом, хотя и в крайнем случае. К примеру, выходное напряжение уровня логического “нуля” для приборов MM74C00 и MM74C02 во всем температурном диапазоне составляет 0,4 В при токе 360 мкА, при входном напряжении 4,0 В и напряжении питания 4,75 В. Обе схемы показаны на рис. 15.
Обе схемы имеют одинаковую нагрузочную способность, но их структуры различны. Это означает, что каждый из двух нижних транзисторов прибора MM74C02 может обеспечить тот же ток, что и два последовательно включенных транзистора MM74C00. Два транзистора MM74C02 вместе могут обеспечить вдвое больший ток при заданном выходном напряжении. Если допустить увеличение выходного напряжения логического “нуля” до значения 0,8 В, то прибор MM74C02 сможет обеспечить в четыре раза больший выходной ток, чем 360мкА, т.е. 1,44 мА, что близко к 1,6 мА. На самом деле, ток 1,6 мА — это максимальный входной ток для ТТЛ-входа, и большинство ТТЛ-схем работают при токе не более 1 мА. Также, ток 360 мкА — это минимальный выходной ток для КМОП-схем. Реальное значение находится в пределах 360-540 мкА (что соответствует входному току 2-3 ТТЛШ-входов). Ток 360мкА указан для входного напряжения 4 В. Для входного напряжения 5 В, выходной ток будет порядка 560 мкА во всем диапазоне температур, делая управление ТТЛ-входом еще проще. При комнатной температуре и входном напряжении 5 В, выход КМОП-схемы может обеспечить ток 800 мкА. Следовательно, двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ обеспечит выходной ток 1,6 мА при напряжении 0,4 В, если на оба входа элемента ИЛИ-НЕ поступает напряжение 5 В.
Отсюда можно заключить, что один двухвходовый элемент ИЛИ-НЕ, входящий в состав прибора MM74C02, можно использовать для управления стандартным ТТЛ-входом вместо специального буфера. Однако это приведет к некоторому снижению помехоустойчивости в диапазоне температур.