DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 IGITÁLIS TEHNIKA II r. Lovassy Rita r. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 8. ELŐAÁS AZ ELŐAÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése ( old.) Tieze., Schenk h: Analóg és digitális áramkörök ( old.) Zsom Gyula: igitális technika I és II Rőmer Mária: igitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: igitális rendszerek I és II, Benesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 004 (8-46 old.) Benesóczky Zoltán: igitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorral, 008, (-33 old.) Kovács s. igitális elektronika old. 1 c. könyvein, jegyzetein alapulnak. ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ JK FF ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ FF 0 1 Q A Q B Q A FF-ok T mód szerint vezérelve Q A Q B Q Önmagukban a FF-ok nem alkalmasak számlálási funkciók betöltésére, frekvencia osztásra. Ehhez, külső összeköttetéssel a Q kivezetést a -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.) 3 ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ JK FF ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ FF Q A Q B Q Q A Q B Q 5 6 1

2 LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK I Inverter és tulajdonságai IGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK: AZ INVERTER Konstrukciós szempontból egy áramkörcsalád leglényegesebb eleme az inverter Az inverter határozza meg az áramkörök alaptulajdonságait: jelszintek, zavarvédelem, terjedési, késleltetési idő, teljesítményfelvétel 7 a bonyolultabb logikai elemek az inverterből származtathatók, pl. NOR, NAN kapuk: inverter kiegészítése SR flip-flop: két NOR kapu, stb. 8 INVERTER FNKIÓI Jelregenerálás - transzfer karakterisztika aktív szakasza, erősítés Zavarvédelem - transzfer karakterisztika kis meredekségű szakasza T R I = 0 = T IEÁLIS KAPSOLÓ 1 0 Kapcsoló feladata: az áramkör zárásával az T tápfeszültséget az R terhelő ellenállásra kapcsolja, illetve kikapcsoláskor az áramkört megszakítja. Ideális kapcsoló: érzéketlen a polaritásra kapcsolási idő végtelenül rövid nincs rajta teljesítményveszteség 9 10 VALÓSÁGOS KAPSOLÓ JELLEMZŐI zárt állapotban maradékfeszültség nyitott állapotban maradékáram teljesítményveszteség mind nyitott, mind zárt állapotban átkapcsolás véges idő alatt megy végbe FÉLVEZETŐ IÓA (PN-ÁTMENET) MINT KAPSOLÓ T T I = I (e -1) = I e - I T - termikus feszültség (kt/q), szobahőmérséklet környezetében kb. 6 mv A félvezető dióda nem ideális kapcsoló! Vezérlés - a rákapcsolt feszültség előjelével! 11 1

3 IÓA MINT KAPSOLÓ IÓA: KAPSOLÁSI IŐ Záróirány: kikapcsolt I ny Nyitóirány: bekapcsolt Kikapcsolt állapot: feszültségtől széles határok között független maradékáram, mai diódáknál gyakorlatilag elhanyagolható 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). Bekapcsolt állapot: Az átfolyó áramtól kevéssé függő, néhány tized volt ún. nyitófeszültség marad a diódán. ny - Si diódán 0,6-0,7 V, GaAs diódán 1,-1,4 V. Si Schottky diódán pedig kb. 0,4 V IÓÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK ÉS illetve VAGY funkció valósítható meg megfelelően kötött diódákkal. iódás ÉS kapu: pozitív logikában a kimenetén mindig a legnegatívabb feszültség jelenik meg. A kimenet csak akkor 1, ha az összes bemenet 1. iódás VAGY kapu: pozitív szintű logikában a kimenetén mindig a legpozitívabb feszültség jelenik meg. A kimenet 1, ha legalább az egyik bemenet IÓÁK KAPSOLÓÜZEMBEN 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. IÓÁK KAPSOLÓÜZEMBEN TRANZISZTOR 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 3

4 Rajzjel A TRANZISZTORHATÁS A TRANZISZTOR MINT KAPSOLÓ Mind a bipoláris mind a térvezérlésű (pl. MOS) tranzisztor működtethető kapcsolóüzemben, így kapcsolóáramkörök építhetők. Emitter Bázis Kollektor Bipoláris tranzisztor: vezérelhető kapcsoló a bázis-emitter diódára adott vezérlő feszültség dönti el, hogy a kollektoremitter között közel szakadás vagy közel rövidzár lép fel. Az ős, a germánium tűs tranzisztor BE 0 R be R B ki BIPOLÁRIS TRANZISZTOR INVERTER ALAPKAPSOLÁS ki lezárás R OH aktív be R B ki OL telítés be IL IH 1 be = 0 V be táp ki táp ki 0 V A TRANZISZTOR MINT INVERTER ÁTVITELI KARAKTERISZTIKA R = R t = t ki ha Az áramkörrel szemben támasztott követelmények: be min akkor ki max max t ha be max akkor ki A feszültségek közötti összefüggések még a legkedvezőtlenebb esetben is teljesülniük kell (az max, min, R és R B értékek megfelelő választása) min S min S max L szintű zavartávolság H szintű zavartávolság 4

5 INAMIKS JELLEMZŐK, AZ INVERTER KAPSOLÁSI JELLEMZŐI A KAP MŰKÖÉSI IEJE 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) t t + t min max = i i ik t ik A kapuáramkör működési ideje (propagation delay) FÁZISFORÍTÓ ERŐSÍTŐ ÉS INVERTER Si NPN (PLANÁRIS) TRANZISZTOR Inverter üzemmód IGITÁLIS Lineáris erősítő üzemmód ANALÓG Emitter Base ollector SiO n p n p n-epi Electron flow P-substrate A Si npn tranzisztor a bipoláris I-k igáslova. Síkba kiterített (planáris) elrendezés. Al u Si p + vezérlő elektróda 8 I: Si BIPOLÁRIS TEHNOLÓGIA Technológia optimalizálása: Si npn tranzisztorhoz. Alkatrészválaszték: bipoláris tranzisztor, dióda, ellenállás, kondenzátor. Tranzisztor (és minden más alkatrész) síkba kiterítve - planáris technológia Buried Layer Implantation Betemetett réteg: ionimplantáció Tipikus méretek: emitter diffúzió (-,5) µm bázis diffuzió 4 µm n-epitaxiás réteg (kollektor) 10 µm emitter ablak (kisáramú, 1- 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 6,5 A/mm ). 9 SiO 30 5

6 Epitaxy Growth Isolation Implantation N-Si epitaxiás réteg növesztése Elválasztó (p-típus) implantáció n-epi p + n-epi p Emitter/ollector and Base Implantation Emitter és bázistartomány, illetve kollektor kontaktus-tartomány kialakítása p + p n-epi p+ Metal Etch SiO Emitter Base ollector Al u Si p + n + p n+ p + n-epi 33 Kontaktusfémezés leválasztása, mintázat kialakítása 34 SiO Passivation Oxide eposition Emitter Base ollector Al u Si p + n + p n+ p + n-epi V oxide 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. Passzíváló oxidréteg leválasztása

7 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. 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 (S patent), illetve Heil (British patent) javasolták, még az 1930-as években, jóval a modern félvezetőfizika és technika megszületése előtt. Kb.0 évvel megelőzte a bipoláris tranzisztort. 37 MOS TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOROK FELOSZTÁSA, ÁRAMKÖRI JELÖLÉSEI FÉM-OXI-FÉLVEZETŐ TÉRVEZÉRLÉSŰ TRANZISZTOR Növekményes Kiürítéses 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. 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

8 N-MOS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK JELLEGZETESÉGEI N-MOS LOGIKA 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. sökken a tranzisztor T0 küszöbfeszültsége is, amely alacsonyabb tápfeszültség alkalmazását teszi lehetővé. Az N-MOS áramkört könnyebb illeszteni a TTL-áramkörhöz. Inverter NEM-ÉS kapu NEM-VAGY kapu 43 A N-MOS technológiát csak nagybonyolultságú integrált áramkörök készítésénél használják, pl. kapuk készítésére nem. 44 MOS KAPSOLÁSOK: NOR KAP MOS KAPSOLÁSOK: NAN KAP A MOS kapcsolástechnika egyszerű, a meghajtó tranzisztorok határozzák meg a funkciót. Még bonyolultabb funkciónál is elég egy terhelő tranzisztor MOS TRANZISZTORPÁR: MOS MOS (complementary MOS) alapáramkör: inverter n- és p- MOS tranzisztor PMOS + tápfeszültségre kötve, felhúzza a kimeneti feszültséget, ha a bemenet 0. NMOS földpontra (GN) kötve, lehúzza a kimeneti feszültséget, ha a bemenet MOS INVERTER MŰKÖÉSE Ha a bemenet = 1, a kimenet = 0 Ha a bemenet = 0, a kimenet = 1 + V cc X 1 0 V cc 0 1 X 48 8

9 MOS INVERTER TRANSZFER KARAKTERISZTIKA 5 V TÁPFESZÜLTSÉGŰ MOS KAP 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 MOS INVERTER: TRANSZFER KARAKTERISZTIKA PFFERELT MOS KAPÁRAMKÖRÖK 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. Zavarvédettség szempontból kedvező a majdnem szögletes transzfer karakterisztika 51 Pufferelt NOR elem logikai vázlata 5 PFFERELT ÁRAMKÖR TRANSZFER KARAKTERISZTIKÁJA Mindegyik nagysebességű MOS áramkörcsalád pufferelt kialakítású. Fő előnyök MOS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK 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 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 9