Аналогичным образом, на "столбике", соответствующем выходу, имеется три части. Нижняя часть показывает возможное напряжение низкого логического уровня на выходе. Для микросхем ТТЛ с напряжением питания 5 В это напряжение составляет от 0 В до 0.4 В. Средняя часть диаграммы показывает некорректный уровень выходного напряжения — устройство не должно выдавать сигнал такого уровня, за исключением момента перехода с одного логического уровня на другой. Верхняя часть "столбика" показывает допустимый диапазон напряжения для высокого логического уровня на выходе. Для 5-вольтовой ТТЛ-логики это напряжение находится между значениями 2.4 В и 5 В. Диаграммы не отражают 10 % выбросы или провалы, которые также допустимы на входах в соответствии со стандартом.

Сводка существующих логических стандартов с использованием подобных диаграмм показана на рис. 10.4.

Обратите внимание, что входные пороги обычной КМОП-логики (например, серии 4000), определяются как 0.3•VDD и 0.7•VDD. Однако большинство изготовленных по технологии КМОП логических микросхем, которые используются сегодня, совместимы по логическим порогам с микросхемами ТТЛ и LVTTL; эти пороги также доминируют среди стандартов для цифровых сигнальных процессоров, работающих при напряжении питания 3.3 В и 5 В. Обратите внимание, что для 5 В ТТЛ-логики и 3.3 В LVTTL-логики пороги входного и выходного напряжения одинаковы. Разница только в верхней границе допустимого диапазона для сигнала высокого уровня.

Международное бюро стандартов JEDEC ввело стандарт для ИС, работающих при напряжении питания 2.5 В (JEDEC стандарт 8–5), который, скорее всего, будет представлять собой минимум требований для работы с Vdd = 2.5 В (Приложение 3). Однако на сегодняшний день (2000 г.) отсутствует доминирующий стандарт для ИС на 2.5 В, т. к. немного производителей выпускает микросхемы, работающие при этом напряжении питания. Существует стандарт на 2.5 В, предложенный консорциумом производителей ИС под названием Альянс Низковольтной Логики (Low Voltage Logic Alliance). Спецификация стандарта описывает характеристики ИС, работающих при напряжении от 1.8 В до 3.6 В. Стандарт для работы в данном диапазоне напряжения питания весьма полезен, т. к. он обеспечивает совместимость сегодняшних разработок с будущими. Например, микросхема 74VCX164245, представляющая собой шинный преобразователь/приемопередатчик производства Fairchild Semiconductor, спроектирована для работы при любом напряжении в пределах 1.8–3.6 В и имеет различные входные и выходные характеристики, зависящие от напряжения питания VDD. Этот стандарт, называемый VCX, был разработан фирмами Motorola, Toshiba и Fairchild Semiconductor. В нем описаны прежде всего шинные приемопередатчики, преобразователи, буферы FIFO и другие микросхемы сопряжения. Кроме того, существует широкий диапазон других низковольтных стандартов, таких как GTL (Gunning Transceiver Logic), BTL (Backplane Transceiver Logic) и PECL (PceudoECL Logic). Однако большинство из этих стандартов созданы для применения в специализированных областях, а не в полупроводниковых системах общего назначения.

Устройства VCX могут работать в очень широком диапазоне напряжений питания (1.8–3.6 В). Характеристики входов и выходов в данном стандарте зависят от напряжения питания VDD и от нагрузки на каждом выходе. На рис. 10.4 показана диаграмма для входов и выходов устройства VCX, работающего при напряжении питания 2.5 В. Выходные напряжения устройства, приведенные на диаграмме, всегда соответствуют определенному току. При возрастании требований по току выходное напряжение высокого уровня уменьшается, тогда как выходное напряжение низкого уровня возрастает. За более подробной информацией по характеристикам ИС обращайтесь к спецификациям технических характеристик.

С помощью приведенной диаграммы можно проиллюстрировать некоторые возможные проблемы, возникающие при соединении двух ИС, работающих в различных стандартах. Например, соединение 5-вольтовой микросхемы КМОП с микросхемой LVTTL, работающей при напряжении VDD = 3.3 В. Высокий логический уровень на выходе 5-вольтовой КМОП слишком высок (>3.3 В), чтобы подавать этот сигнал на вход ИС LVTTL. Это может привести к необратимому повреждению микросхемы LVTTL. Возможна другая проблема: пусть микросхема типа JEDEC с напряжением питания 2.5 В управляет устройством КМОП с VDD = 5 В. Высокий логический уровень на выходе 2.5-вольтового устройства недостаточно высок для того, чтобы восприниматься как "высокий" входом микросхемы КМОП с напряжением питания 5 В (VIH MIN = 3.5 В). Эти примеры показывают два возможных типа несовместимости логических семейств: либо устройство управляется слишком высоким напряжением, либо устройство не обеспечивает достаточно высокое напряжение, которое достоверно распознавалось бы принимающей ИС как сигнал высокого логического уровня. Эти проблемы совместимости подводят нас к двум понятиям: устойчивость к повышенному напряжению и совместимость по напряжению.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ

Устройство, устойчивое к повышенному напряжению, может выдержать на входе или выходе напряжение более высокое, чем его собственное напряжение питания VDD. Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В, может выдержать на входе напряжение в 3.3 В и может выдержать 3.3 В на выходе, 2.5 В устройство является устойчивым к напряжению 3.3 В. Значение понятия "устойчивость к напряжению на входе" достаточно очевидно, но понятие "устойчивости к напряжению на выходе" требует некоторого объяснения. Выход драйвера микросхемы КМОП с VDD = 2.5 В в состоянии высокого логического уровня представляет собой резистор с небольшим сопротивлением (Ron транзистора PMOS), связанный с шиной питания VDD 2.5 В. Очевидно, что связь его выхода напрямую с шиной 3.3 В приведет к разрушению устройства избыточным током. Однако если 2.5-вольтовая микросхема имеет выход с тремя состояниями и подключена к шине, которая одновременно управляется 3.3-вольтовыми микросхемами, тогда это понятие становится ясным. Даже если 2.5-вольтовая ИС находится в выключенном состоянии (третье состояние), 3.3-вольтовые микросхемы могут подавать на шину напряжение, превышающее 2.5 В, и возможно, повреждать выход 2.5-вольтовой микросхемы.

Устройство, совместимое по напряжению, может принять сигнал и передать сигнал устройству, которое работает при напряжении более высоком, чем его собственное VDD. Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В и может передавать и получать сигналы к/от 3.3-вольтового устройства, тогда говорят, что данное 2.5-вольтовое устройство совместимо по напряжению с 3.3-вольтовыми.

Интерфейс между микросхемой КМОП с напряжением питания 5 В и микросхемой LVTTL с напряжением питания 3.3 В — это случай, когда устойчивость к повышенному напряжению отсутствует; вход микросхемы LVTTL перегружен выходным сигналом КМОП микросхемы с напряжением питания VDD = 5 В. Интерфейс между микросхемами 2.5-вольтовой JEDEC и 5-вольтовой КМОП иллюстрирует случай отсутствия совместимости по напряжению; выходной сигнал высокого уровня на выходе ИС JEDEC не соответствует требованиям к уровню входного сигнала 5-вольтовой КМОП-микросхемы.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОНЯТИЙ УСТОЙЧИВОСТИ К ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И СОВМЕСТИМОСТИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ

• Устойчивость к повышенному напряжению:

? Микросхема, устойчивая к повышенному напряжению, может выдержать на своих входных и выходных выводах напряжение более высокое, чем ее собственное напряжение питания VDD. Если ИС работает при VDD = 2.5 В и может выдержать напряжение 3.3 В±10 % на входе, то эта 2.5-вольтовая микросхема является устойчивой к напряжению 3.3 В на входе. Устойчивость на входе и на выходе должна тестироваться и оговариваться в спецификации отдельно.