Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

ICM7555/6 фирмы Intersil и другие. Это КМОП-аналоги схемы 555, как правило, с улучшенными характеристиками (более низкий ток питания, более высокая максимальная частота, гораздо меньшие переходные процессы в токе питания). Ток покоя составляет 60 мкА при напряжении 5 В, который также почти равен рабочему току в режиме генератора, если используется большое значение времязадающего резистора. Типовое значение температурного коэффициента составляет 1,5·10-4/°С ИС 7556 — это сдвоенный 7555. Аналогичная схема LMC555 фирмы National потребляет ток 100 мкА и имеет температурный коэффициент 7,5·10-5/°С. Посмотрите в табл. 5.3 параметры других схем 555, выпускаемых фирмами TI, Advanced Linear Devices и Exar.

Операционные усилители. Релаксационный генератор на ОУ (рис. 5.29), построенный на микромощном ОУ, представляет собой хороший низкочастотный генератор. Используйте ОУ с подлинным КМОП выходным каскадом для обеспечения удвоенного размаха выходного сигнала между напряжениями питания, в особенности при низких напряжениях источника питания, с тем чтобы получить малое значение температурного коэффициента и надежную генерацию. В этом смысле хороши ОУ типа 7611/2.

LTI040. Это компаратор с выключаемым питанием выпускается фирмой Linear Technology и, как было указано выше, имеет внутренний микромощный генератор (ток 0,3 мкА на низкой частоте). Ток питания меняется линейно с частотой и определяется следующим образом: I (мкА) = f (Гц)/10. Генератор, в частности, нестабилен (0,2 %/°С, 10 %/В), но он определенно является микромощным на низких частотах.

COPS-таймер. ИС СОР498 фирмы National является представителем их COPS-серии микроконтроллеров с последовательным интерфейсом "MICROWIRE". В состав ИС COPS498 входит схема кварцевого генератора с частотой 32,768 кГц, который функционирует при токе 20 мкА (макс.) при напряжении питания 2,4 В. Он должен программироваться через последовательную шину, но тогда он может формировать запускающие импульсы с частотой 1 или 16 Гц. Стабильность несколько единиц x 10-6/°С является типовой для кристаллов «камертонного» типа.

Тактовая синхронизация календаря. Схемы ММ58174/274 фирмы NSC служат типичным примером кристаллов хронометрирования микропроцессоров. Они запускаются от схем батарейной поддержки, когда выключается питание компьютера, и они сохраняют рабочее время и информацию о дате, которые считываются (и устанавливаются) через шину данных компьютера как порт ввода/вывода. Схема 58174 фунционирует (работающий генератор) при токе 10 мкА (макс.) при напряжении питания 2,2 В. Аналогично кристаллу COPS его можно прерывать на периодические интервалы, но только в режиме потребления полной мощности и при напряжении питания 5 В (ток потребления 1 мА); а также подобно кристаллу COPS он должен программироваться через шину для установки интервала прерывания. Другие популярные кристаллы тактовой синхронизации календаря — это DP8570 (фирма National), ICM7170 (фирма Intersil), МС146818 (фирма Motorola) и MSM5832 (фирма Oki). Некоторые из них позволяют использовать высокочастотные (1 МГц или выше) кварцевые резонаторы для обеспечения лучшей температурной стабильности. Фирма Epson выпускает кристалл тактовой синхронизации календаря с внутренним кварцевым резонатором (RTC58321).

Схемы для наручных часов. Имеются в наличии низковольтные КМОП-кристаллы, спроектированные для запуска шаговых двигателей в наручных часах с аналоговым отображением времени. Например, для останавливаемой схемы ICM7245 требовался кварцевый резонатор с частотой 32,768 кГц, который работает от напряжения питания 1,5 В (одноэлементная батарея) и потребляет ток только 0,4 мкА; различные его разновидности вырабатывают выходные сигналы с частотами 1, 0,1 или 0,05 Гц. Поскольку он был спроектирован для хронометрирования, то обладает очень хорошей стабильностью, в типовом случае 10-7 во всем диапазоне напряжения питания. Фирма National предлагает схему ММ5368, выпускаемый в мини-DIP-коpпусе генератор с частотой 32 кГц, который потребляет ток 50 мкА (макс.) при напряжении 3 В и обеспечивает частоты выходного сигнала 1, 10 и 50/60 Гц. Их ИС ММ53107 потребляет ток 75 мкА при напряжении 3 В и при использовании кварцевого резонатора с частотой 1 МГц обеспечивает частоту выходного сигнала ~= 30 Гц.

Программируемый однопереходный транзистор. Однопереходный транзистор (ОПТ) представляет собой трехконтактный (эмиттер, база 1, база 2) прибор с отрицательным сопротивлением, который пользовался определенной популярностью в 60-х годах в триггерных схемах и несинхронизируемых генераторах. Этот прибор переходит в „тяжелый" режим от эмиттера к базе, когда контакт эмиттера становится более положительным, чем критическое напряжение триггера Uтр = ηUББ + 0,6, т. е. на падение напряжения на диоде выше фиксированной доли г| (это «отношение входного сопротивления к межбазовому сопротивлению» и в типовом случае составляет около 0,6) межбазового напряжения, он продолжает проводить до тех пор пока эмиттерный ток не упадет ниже некоторого минимального («ток впадины») значения. Схема классического генератора на ОПТ представлена на рис. 14.36, а с положительными импульсами в цепи базы 1, которые используются для переключения n-p-n-транзистора с целью формирования логических уровней.

Вы едва ли еще найдете ОПТ в каких-либо других схемах, поскольку и ОУ, и ИС типа 7555 могут выполнить эту задачу лучше. Однако существует необычная серия ОПТ, известная как программируемые ОПТ, в которых триггерные параметры (η, ток вершины и ток впадины) можно устанавливать с помощью внешнего делителя. Прибор 2N6028 в частности предназначен для пиковых токов порядка 0,1 мкА и может, следовательно, работать в режиме генератора с током, не превышающем микроампер. На рис. 14.36, б изображен генератор на частоте 10 Гц с выходными КМОП-логическими уровнями и рабочим током 1 мкА, посмотрите также рис. 6.57, где мы использовали ОПТ в микромощном преобразователе.

Рис. 14.36. Релаксационные генераторы на однопереходном транзисторе.

Проектирование цифровых микромощных устройств

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 сейчас имеются особые разновидности КМОП-приборов и много ловушек, которые могут неожиданно возникать, так что при проектировании на КМОП-приборах можно получить все, что угодно, только не микромощное устройство. В этом заключительном разделе главы мы проведем обзор семейств КМОП-схем и способов проектирования на них, так что вы действительно добьетесь малого потребления мощности, что необходимо при использовании в качестве источника питания батареи.

Как мы уже рассмотрели в гл. 9, имеется несколько КМОП-серий; выбор лучшей же серии зависит от вида конкретной прикладной задачи. Они представлены в табл. 9.1.

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 Zвых, плохой помехозащищенностью и малым быстродействием. На практике минимальное напряжение питания составляет 5 В. На верхнем же краю диапазона напряжений источника питания при переключении возникает значительный ток режима класса А и 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 Fair-child 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 наряжений 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 AС = 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 AС-серия реализует большинство функций популярной серии 4000В (например, 74НС4046), а также функций обычной серии 74LS.