DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 8. ELŐADÁS 1

2 AZ ELŐADÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése ( old.) Tieze U., Schenk Ch: Analóg és digitális áramkörök ( old.) Zsom Gyula: Digitális technika I és II Rőmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: Digitális rendszerek I és II, Benesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 2004 (28-46 old.) Benesóczky Zoltán: Digitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorral, 2008, (22-33 old.) Kovács Cs. Digitális elektronika old. c. könyvein, jegyzetein alapulnak. 2

3 ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ JK FF A FF-ok T mód szerint vezérelve 3

4 ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ D FF Q A Q B Q C C C C D Q A D Q B D Q C Önmagukban a D FF-ok nem alkalmasak számlálási funkciók betöltésére, frekvencia osztásra. Ehhez, külső összeköttetéssel a Q kivezetést a D-hez vissza kell csatolni, mivel így mindig a jelenlegi állapot negáltját készítjük elő. (Aszinkron számlálóknál biztosítani kell, hogy a flip-flop minden órajelre ellentétes állapotba billenjen.)

5 ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ JK FF

6 ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ D FF Q A Q B Q C C C C D Q A D Q B D Q C 6

7 LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK I Inverter és tulajdonságai 7

8 DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK: AZ INVERTER Konstrukciós szempontból egy áramkörcsalád leglényegesebb eleme az inverter Az inverter határozza meg az áramkörök alaptulajdonságait: jelszintek, zavarvédelem, terjedési, késleltetési idő, teljesítményfelvétel a bonyolultabb logikai elemek az inverterből származtathatók, pl. NOR, NAND kapuk: inverter kiegészítése SR flip-flop: két NOR kapu, stb. 8

9 INVERTER FUNKCIÓI Jelregenerálás - transzfer karakterisztika aktív szakasza, erősítés Zavarvédelem - transzfer karakterisztika kis meredekségű szakasza 9

10 U T R I IDEÁLIS KAPCSOLÓ U 1 0 Kapcsoló feladata: az áramkör zárásával az U T tápfeszültséget az R terhelő ellenállásra kapcsolja, illetve kikapcsoláskor az áramkört megszakítja. U = 0 U = U T Ideális kapcsoló: érzéketlen a polaritásra kapcsolási idő végtelenül rövid nincs rajta teljesítményveszteség 10

11 VALÓSÁGOS KAPCSOLÓ JELLEMZŐI zárt állapotban maradékfeszültség nyitott állapotban maradékáram teljesítményveszteség mind nyitott, mind zárt állapotban átkapcsolás véges idő alatt megy végbe 11

12 FÉLVEZETŐ DIÓDA (PN-ÁTMENET) MINT KAPCSOLÓ U U UT UT I=I (e -1)=Ie -I U T - termikus feszültség (kt/q), szobahőmérséklet környezetében kb. 26 mv A félvezető dióda nem ideális kapcsoló! Vezérlés - a rákapcsolt feszültség előjelével! 12

13 Záróirány: kikapcsolt I DIÓDA MINT KAPCSOLÓ U ny Nyitóirány: bekapcsolt U Kikapcsolt állapot: feszültségtől széles határok között független maradékáram, mai diódáknál gyakorlatilag elhanyagolható Bekapcsolt állapot: Az átfolyó áramtól kevéssé függő, néhány tized volt ún. nyitófeszültség marad a diódán. U ny - Si diódán 0,6-0,7 V, GaAs diódán 1,2-1,4 V. Si Schottky diódán pedig kb. 0,4 V. 13

14 DIÓDA: KAPCSOLÁSI IDŐ Átkapcsolási folyamat: töltésváltozások! Korlátozó tényező: tárolt töltés (kisebbségi töltéshordozók) illetve a diffúziós kapacitás. A nyitóirányból a záróirányba való átkapcsolás addig nem megy végbe míg a tárolt töltés el nem tűnik (tárolási időállandó, storage time). 14

15 DIÓDÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK ÉS illetve VAGY funkció valósítható meg megfelelően kötött diódákkal. Diódás ÉS kapu: pozitív logikában a kimenetén mindig a legnegatívabb feszültség jelenik meg. A kimenet csak akkor 1, ha az összes bemenet 1. Diódás VAGY kapu: pozitív szintű logikában a kimenetén mindig a legpozitívabb feszültség jelenik meg. A kimenet 1, ha legalább az egyik bemenet 1. 15

16 DIÓDÁK KAPCSOLÓÜZEMBEN Ha valamelyik bemeneten 0 V van, a hozzá tartozó dióda lezár, ez a bemenet leválasztódik, nem zavarja a kimeneti logikai 1 feszültség kialakulását. Ha VAGY az A, VAGY a B bemenetre pozitív feszültséget adunk, akkor az illető bemenethez tartozó dióda kinyit, mivel az anódja pozitív feszültséget kap. A nyitott dióda katódja néhány tized V-tal, a nyitófeszültséggel negatívabb anódjánál, vagyis a kimenet feszültsége is pozitív, logikai 1 szintű.

17 DIÓDÁK KAPCSOLÓÜZEMBEN Az R ellenállás a kimenet feszültségét pozitív feszültségre igyekszik felhúzni. Ha azonban akár egyetlen bemenetet is összekötünk a 0 V-os vezetékkel, akkor az ehhez a bemenethez tartozó dióda kinyit és a kimenetet kis pozitív, gyakorlatilag zérus potenciál, vagyis logikai 0 jelenik meg.

18 TRANZISZTOR 18

19 A TRANZISZTORHATÁS Rajzjel Emitter Bázis Kollektor Az ős, a germánium tűs tranzisztor... 19

20 A TRANZISZTOR MINT KAPCSOLÓ Mind a bipoláris mind a térvezérlésű (pl. MOS) tranzisztor működtethető kapcsolóüzemben, így kapcsolóáramkörök építhetők. Bipoláris tranzisztor: vezérelhető kapcsoló a bázis-emitter diódára adott vezérlő feszültség dönti el, hogy a kollektoremitter között közel szakadás vagy közel rövidzár lép fel. U CC R C U be R B U ki U BE 20

21 BIPOLÁRIS TRANZISZTOR 21

22 INVERTER ALAPKAPCSOLÁS U CC R C U ki U OH lezárás aktív U be R B U ki U OL telítés U be U IL U IH U be = 0 V U be» U táp U ki» U táp U ki» 0 V 22

23 A TRANZISZTOR MINT INVERTER Az áramkörrel szemben támasztott követelmények: ha Ube U min akkor Uki ³ U max ha Ube ³ U max akkor Uki U min A feszültségek közötti összefüggések még a legkedvezőtlenebb esetben is teljesülniük kell (az U max, U min, R C és R B értékek megfelelő választása)

24 ÁTVITELI KARAKTERISZTIKA R t = R C U ki U = t 2 U max á U t 2 S min S max L szintű zavartávolság H szintű zavartávolság

25 DINAMIKUS JELLEMZŐK, AZ INVERTER KAPCSOLÁSI JELLEMZŐI Négyszögjel vezérlés esetén megkülönböztetett időtartományok t k : késleltetési idő (delay time) t 1 : lefutási idő (fall ime) t t : tárolási idő (storage time) t f : felfutási idő (rise time)

26 A KAPU MŰKÖDÉSI IDEJE t ik t + min max = i i 2 t t ik A kapuáramkör működési ideje (propagation delay)

27 FÁZISFORDÍTÓ ERŐSÍTŐ ÉS INVERTER Lineáris erősítő üzemmód ANALÓG Inverter üzemmód DIGITÁLIS

28 Si NPN (PLANÁRIS) TRANZISZTOR Emitter Base Collector Al Cu Si SiO 2 n + p n p + + n-epi Electron flow n + buried layer P-substrate A Si npn tranzisztor a bipoláris IC-k igáslova. Síkba kiterített (planáris) elrendezés. p + vezérlő elektróda 28

29 IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGIA Technológia optimalizálása: Si npn tranzisztorhoz. Alkatrészválaszték: bipoláris tranzisztor, dióda, ellenállás, kondenzátor. Tranzisztor (és minden más alkatrész) síkba kiterítve - planáris technológia Tipikus méretek: emitter diffúzió ~(2-2,5) µm bázis diffuzió ~4 µm n-epitaxiás réteg (kollektor) ~10 µm emitter ablak (kisáramú, 1-2 ma tranzisztor) (10-15) x (10-15) µm Pl. a TTL áramkörben az emitter méret 16 x 16 µm, egy bemenet árama max. 1,6 ma (az áramsűrűség 6,25 A/mm 2 ). 29

30 Buried Layer Implantation Betemetett réteg: ionimplantáció SiO 2 P-silicon n + 30

31 Epitaxy Growth N-Si epitaxiás réteg növesztése n + buried layer n-epi P-silicon 31

32 Isolation Implantation Elválasztó (p-típus) implantáció p + n-epi p+ n + buried layer P-silicon 32

33 Emitter/Collector and Base Implantation Emitter és bázistartomány, illetve kollektor kontaktus-tartomány kialakítása p + n + p n + n-epi p+ n + buried layer P-silicon 33

34 SiO 2 Metal Etch Emitter Base Collector Al Cu Si p + n + p n+ p + n-epi n + buried layer P-silicon Kontaktusfémezés leválasztása, mintázat kialakítása 34

35 Passivation Oxide Deposition SiO 2 Emitter Base Collector Al Cu Si CVD oxide p + n + p n+ p + n-epi n + buried layer P-silicon Passzíváló oxidréteg leválasztása 35

36 TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR (FET) Két fő típus: Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (Junction Field Effect Transistor, JFET) Szigetelt kapuelektródás térvezérlésű tranzisztor (Metal-Insulator Semiconductor FET, MISFET), ennek a gyakorlatban legfontosabb realizációja a Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET. 36

37 TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR (FET) Térvezérlésű (unipoláris - egy polaritású töltéshordozó) tranzisztor Field Effect Transistor FET A FET-ben a bemeneti (kapu-) feszültség által keltett elektromos tér vezérli a tranzisztort. A FET kimeneti (nyelő-) árama így igen kis bemeneti teljesítménnyel (gyakorlatilag teljesítmény nélkül) vezérelhető. Igen kis fogyasztású áramkörök. 37

38 FET ÉS MOSFET FET Field Effect Transistor A metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) a VLSI technológia legfontosabb elektronikus eszköze, a mikroprocesszorok és a félvezető memóriák meghatározó alkateleme. A térvezérlésű tranzisztor elvét először Lilenfeld (US patent), illetve Heil (British patent) javasolták, még az 1930-as években, jóval a modern félvezetőfizika és technika megszületése előtt. Kb.20 évvel megelőzte a bipoláris tranzisztort.

39 MOS TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROK FELOSZTÁSA, ÁRAMKÖRI JELÖLÉSEI 39

40 FÉM-OXID-FÉLVEZETŐ TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR Növekményes Kiürítéses 40

41 MOS ÁRAMKÖRÖK Alapelem: inverter, a vezérlő (megható, driver) tranzisztor és a terhelés egyaránt aktív elem, tranzisztor. Passzív terhelésű inverter: a terhelő tranzisztor nem kap vezérlést, a kapu a tápfeszültségre vagy a tranzisztor valamely másik elektródájára van kötve. Aktív terhelésű inverter: a terhelő tranzisztor is kap vezérlést, ekkor az egyik tranzisztor NMOS, a másik pedig PMOS. 41

42 N-MOS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK A hetvenes évek közepéig P-csatornás MOS térvezérlésű tranzisztoros integrált áramköröket gyártottak. Később az N-csatornás tranzisztorok megbízhatóbb működésük miatt kiszorították az addig használt P-csatornás áramköröket. A tranzisztor működésében résztvevő negatív töltéshordozók (elektronok) mozgékonysága majdnem háromszor nagyobb, mint a P-csatornás tranzisztorok, pozitív töltéshordozóinak (lyukak)mozgékonysága. 42

43 N-MOS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK JELLEGZETESÉGEI Egy azonos meredekségű N-csatornás tranzisztor felületigénye kb. fele a P-csatornásénak. A kisebb a gate-kapacitás az N-MOS áramkörök nagyobb működési sebességét eredményezi. Csökken a tranzisztor U T0 küszöbfeszültsége is, amely alacsonyabb tápfeszültség alkalmazását teszi lehetővé. Az N-MOS áramkört könnyebb illeszteni a TTL-áramkörhöz. 43

44 N-MOS LOGIKA Inverter NEM-ÉS kapu NEM-VAGY kapu A N-MOS technológiát csak nagybonyolultságú integrált áramkörök készítésénél használják, pl. kapuk készítésére nem. 44

45 MOS KAPCSOLÁSOK: NOR KAPU A MOS kapcsolástechnika egyszerű, a meghajtó tranzisztorok határozzák meg a funkciót. Még bonyolultabb funkciónál is elég egy terhelő tranzisztor. 45

46 MOS KAPCSOLÁSOK: NAND KAPU 46

47 MOS TRANZISZTORPÁR: CMOS CMOS (complementary MOS) alapáramkör: inverter n- és p- MOS tranzisztor PMOS + tápfeszültségre kötve, felhúzza a kimeneti feszültséget, ha a bemenet 0. NMOS földpontra (GND) kötve, lehúzza a kimeneti feszültséget, ha a bemenet 1. 47

48 CMOS INVERTER MŰKÖDÉSE Ha a bemenet = 1, a kimenet = 0 Ha a bemenet = 0, a kimenet = 1 V cc V cc X X 48

49 CMOS INVERTER TRANSZFER KARAKTERISZTIKA 49

50 5 V TÁPFESZÜLTSÉGŰ CMOS KAPU TRANSZFER KARAKTERISZTIKA Jelentősebb áramfelvétel csak akkor lép fel, amikor a kapu az egyik állapotból a másikba kapcsol át. Ekkor az egyik tranzisztor még nem zárt le teljesen és a másik vezetni kezd. A tápáramfogyasztás un. ÁRAMTÜSKÉVEL növekszik. 50

51 CMOS INVERTER: TRANSZFER KARAKTERISZTIKA Zavarvédettség szempontból kedvező a majdnem szögletes transzfer karakterisztika 51

52 PUFFERELT CMOS KAPUÁRAMKÖRÖK A vezérlésfüggő kimenő ellenállás okozta problémák megszüntethetők a kimenetek pufferelésével, ami azt jelenti, hogy az áramkör logikai része után egy vagy két invertert integrálnak és ez az inverter képezi az áramköri egység kimenetét. Pufferelt NOR elem logikai vázlata 52

53 PUFFERELT ÁRAMKÖR TRANSZFER KARAKTERISZTIKÁJA Mindegyik nagysebességű CMOS áramkörcsalád pufferelt kialakítású. Az átváltási tartományban a pufferelt áramkör feszültségerősítése lényegesen nagyobb, ezért transzfer karakterisztikája nagyon meredek ebben a tartományban. A majdnem szögletes transzfer karaktersztika zavarvédettség szempontból kedvezőbb, a gyártók nagyobb worst-case zavarvédetséget tudnak specifikálni a pufferelt áramkörcsaládoknál. 53

54 CMOS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK Fő előnyök - MOSFET igényli a legkevesebb helyet a Si lapka felületén - MOSFET a legkevesebb lépésben gyártható - Állandósult állapotban nem igényel vezérlő teljesítményt, tápáramfelvétele pedig zérus, rendkívül kis áramfogyasztás - Tápfeszültség széles határok között változhat Nincs szükség ellenállásra Nagy zavarvédettség 54