Аномальные режимы работы интегральных КМОП элементов


В реальных микросхемах логические КМОП элементы обычно снабжают диодной защитой от пробоя статическим электричеством. Поясним схему такой защиты на примере КМОП инвертора:

 Аномальные режимы работы интегральных КМОП элементов

Защиту осуществляют диоды VD1…VD6 и резистор R. Часть из этих элементов специально введена в схему, другая же представляет собой так называемые паразитные приборы, возникающие при формировании инвертора в объеме полупроводникового кристалла.

Следует иметь в виду, что:

1. эта защита не слишком надежна, что не позволяет отказаться от специальных правил работы с КМОП микросхемами;

2. при определенных условиях наличие защиты может вести к аномальным режимам работы КМОП элементов.

Одним из таких режимов может иметь место при обрыве цепи питания +Е логической микросхемы. На первый взгляд, кажется, что потеря питания ведет к полной потере работоспособности элементов составляющих микросхему. Однако это не так, микросхема, оказывается, может получать питание от единичных входных сигналов через диоды VD1 и правильно выполнять свои функции до тех пор, пока на всех ее входах одновременно не появятся нулевые сигналы. Этот аномальный режим ведет к трудно-диагностируемым перемежающимся (то есть, то нет) сбоям в работе аппаратуры. Дело осложняется и тем, что вольтметр, подключенный к выводам питания микросхемы, покажет практически нормальное напряжение. Поэтому напряжение питания устройства на КМОП микросхемах следует контролировать еще и осциллографом прямо на выводах питания микросхем.

Второй аномальный режим, который иногда называют “защелкиванием” представляет собой серьезную опасность, как для самой микросхемы, так и для печатной платы на которой она размещается, и для источника питания.

Внешне это режим проявляется резким увеличением тока, потребляемым микросхемой (до сотен миллиампер), перегревом этой микросхемы и далее ее тепловым разрушением.

Механизм “защелкивания” становится понятным при рассмотрении структуры полупроводникового кристалла КМОП инвертора. В упрощенном виде без элементов VD1 и R она имеет вид:

 Аномальные режимы работы интегральных КМОП элементов

На этом рисунке кроме диодов VD2…VD6 легко выделить еще и четырехслойную p-n-p-n структуру, соединяющую положительный и отрицательный полюсы источника питания. Эта структура есть ни что иное как “паразитный” тиристор, шунтирующий источник питания. Понятно, что режим “защелкивания” имеет место, если этот тиристор включается и закорачивает источник. Через тиристор в этом случае протекает ток короткого замыкания Iкз.

Построим схему замещения “паразитного” тиристора с учетом всех имеющихся в кристалле областей p и n.

 Аномальные режимы работы интегральных КМОП элементов

Легко видеть, что эта схема замещения отличается от классической лишь использованием многоэмиттерных транзисторов. Дополнительные элементы, соединенные с входом и выходом инвертора, образуют цепи управления “паразитным” тиристором. Тиристор включается, если в цепи какого-либо из дополнительных элементов будет протекать ток порядка 20÷50 мА. Понятно, что для этого должно выполняться одно из следующих условий:

Uвх >Eп;

Uвых>Eп;

Uвх <0;

Uвых<0.

Поэтому при работе с КМОП должны быть обязательно обеспечены неравенства

 Аномальные режимы работы интегральных КМОП элементов

Первое из этих неравенств в частности, предписывает подавать на КМОП схемы входные сигналы лишь после подачи напряжения питания.