DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIK II Dr. Pıdör Bálint BMF KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 6. ELİDÁS: LOGIKI ÁRMKÖRÖK I 6. ELİDÁS LOGIKI ÁRMKÖRÖK 1. Digitális áramkörcsaládok 2. Inverter és tulajdonságai 3. Transistor-Transistor Logic (TTL) : bipoláris tranzisztoros integrált logikai áramkörök 2008/2009 tanév 2. félév 1 2 DIGITÁLIS LPÁRMKÖRÖK Logikai áramkörök - homogén, egységes tulajdonságú alapelemek Kapuk, tárolók - azonos tápfeszültség, azonos logikai szintek, hasonló terjedési idık Technológia - közös, egy chip-en integrálhatók Áramkörcsaládok 3 DIGITÁLIS LPÁRMKÖRÖK: Z INVERTER Konstrukciós szempontból egy áramkörcsalád leglényegesebb eleme az inverter z inverter határozza meg az áramkörök alaptulajdonságait: jelszintek, zavarvédelem, terjedési, késletetési idı, teljesítményfelvétel a bonyolultabb logikai elemek az inverterbıl származtathatók, pl. NOR, NND kapuk: inverter kiegészítése SR flip-flop: két NOR kapu, stb. 4 INVERTER FUNKCIÓI Jelregenerálás - transzfer karakterisztika aktív szakasza, erısítés Zavarvédelem - transzfer karakterisztika kis meredekségő szakasza 5 U be INVERTER LPKPCSOLÁS R B U CC R C U ki U ki U OH U OL lezárás aktív telítés Lényegében telítésbe vezérelt U IL U IH közös emitteres erısítıfokozat. U in = 0 V U out U táp U in U táp U out 0 V U be 6

2 FÁZISFORDÍTÓ ERİSÍTİ ÉS INVERTER Inverter üzemmód DIGITÁLIS Lineáris erısítı üzemmód NLÓG ÁRMKÖRGENERÁCIÓK 1930-as évek, relés áramkörök, Bell Labs (korai hajtóerı: telefon kapcsolástechnika) 1940-évek, elektroncsövek, pl. ENIC (electronic numerical integrator and calculator), 18 ezer csı, 140 kw (ma: négy alapmőveletes kalkulátor kb. 9 ezer tranzisztor) (hajtóerı: katonai alkalmazások, tüzérségi röppálya számítások, stb.) Korabeli mondás: a röppálya kiszámításhoz felhasznált energia összemérhetı a robbanótöltetével... 8 ÁRMKÖRGENERÁCIÓK (2) 1950/1960 félvezetı diódás és tranzisztoros áramkörök - RTL resistor-transistor-logic - DTL diode-transistor-logic - ECL emitter-coupled logic (késıbb) 1961-tıl SSI (elızıek egy chipen) TTL BEVEZETİ Legelterjedtebb IC technológia (bipoláris) Két alapváltozat 74 (ipari) és 54 (katonai) Több sorozat 1960as évek TTL (transistor-transistor logic), Sylvania, majd igazán sikeresen Texas Instruments 1980as évek CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor) 9 Bipoláris tranzisztorok, diódák és ellenállások Tokozás DIL, SMT 10 TTL SOROZTOK Si NPN (PLNÁRIS) TRNZISZTOR STNDRD ELVULT! SCHOTTKY ELVULT! S LOW-POWER SCHOTTKY DVCED SCHOTTKY FST DVCED LOW-POWER SCHOTTKY LS S F 11 LS Emitter Base Collector SiO 2 n p n p n-epi Electron flow buried layer P-substrate l Cu Si Si npn tranzisztor a bipoláris IC-k igáslova. Síkba kiterített (planáris) elrendezés. p + 12

3 IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGI IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGI Technológia optimalizálása: Si npn tranzisztorhoz. lkatrészválaszték: bipoláris tranzisztor, dióda, ellenállás, kondenzátor. Tranzisztor (és minden más alkatrész) síkba kiterítve - planáris technológia 13 Tipikus méretek: emitter diffúzió (2-2,5) µm bázis diffuzió 4 µm n-epitaxiás réteg (kollektor) 10 µm emitter ablak (kisáramú, 1-2 m tranzisztor) (10-15) x (10-15) µm Pl. a TTL áramkörben az emitter méret 16 x 16 µm, egy bemenet árama max. 1,6 m (az áramsőrőség 6,25 /mm 2 ). 14 Buried Layer Implantation Betemetett réteg: ionimplantáció Epitaxy Growth N-Si epitaxiás réteg növesztése SiO 2 buried layer n-epi Isolation Implantation Elválasztó (p-típus) implantáció p + n-epi p+ Emitter/Collector and Base Implantation Emitter és bázistartomány, illetve kollektor kontaktus-tartomány kialakítása p p + n-epi p+ buried layer buried layer 17 18

4 Metal Etch SiO 2 Emitter Base Collector l Cu Si p + n + p n+ p + n-epi buried layer SiO 2 Passivation Oxide Deposition Emitter Base Collector l Cu Si p + n + p n+ p + n-epi buried layer CVD oxide Kontaktusfémezés leválasztása, mintázat kialakítása 19 Passziváló oxidréteg leválasztása 20 IC: Si BIPOLÁRIS TRNZISZTOR Si npn tranzisztor tipikus paraméterei Region V BE (V) V CE (V) Current Relation Cutoff < 0.6 Open circuit I B =I C =0 ctive > 0.8 I C =h FE I B Saturation I B I C /h FE BIPOLÁRIS TRNZISZTOR SZBDLOM page from the original patent by W. Shockley: CIRCUIT ELEMENT UTILIZING SEMICONDUCTOR MTERIL Filed: June 26, 1948 Published: Sep 25, 1951, Si IC SZBDLOM (FIRCHILD) R. Noyce eredeti szabadalmának egy lapja: INTEGRÁLT ÁRMKÖR SEMICONDUCTOR DEVICE-ND-LED STRUCTURE Filed: July 2?, 1960 Közzétéve: pril 25, 1961, (R. Noyce az INTEL egyik alapítója) 23

5 z elsı integrált áramkör TTL ÁRMKÖRCSLÁD lacsony fokú integráció (SSI) és rövid késleltetési idık TTL áramkörcsalád Bemenet: multiemitteres-tranzisztor (ÉS funkció); Kimenet: változó Legegyszerőbb TTL-áramköri elem a kétbemenetes NND-kapu. Texas Instruments Invertáló kimenető (NND, NOR, NOT) kapuáramkörök technikailag egyszerőbben valósíthatók meg mint a neminvertálók. 26 (KLSSZIKUS) TTL LPKPU (NND) T1 4 k 1,6 k 130 T4 VCC (+5V) B TTL LPKPU (NND) Funkcionális felépítése:, bemeneti fokozat, ÉS kapu, T1, második fokozat, fázishasító, T2, ellenütemő kimenıfokozat, totem-pole, T3, T4, diódás szinteltolóval. B D1 D2 T2 1 k T3 D3 GND (0V) logikai funkciót diódák is ellátnák, a tranzisztorhatás felgyorsítja az átkapcsolást TTL LPKPU (NND) totem-pole kimenet felsı tranzisztora mint aktív felhúzó terhelés kis dinamikus munkaellenállást képvisel, ami felgyorsítja a kimenetet terhelı kapacitások áttöltését, és így az átkapcsolást. 130 ohmos ellenállás szerep áramkorlátozás. TTL LPKPU (NND) többemitteres tranzisztor a Texas Instruments szabadalma. D1 és D2 diódák a bemenet védik az esetleges negatív túlfeszültség ellen, illetve a negatív amplitúdójú tranziensek és zavarjelek ellen

6 TTL LPKPU LYOUT Egy chipen illetve egy IC tokban 4 db klasszikus kétbemenető NND kapu helyezkedik el. Egy NND kapu helyigénye kb. 600 µm x 600 µm, a chip mérete durván milliméter nagyságú. Mind a négy kapu ellenállásai (összesen 12 db) egy közös szigeten helyezkednek el. TTL NND LYOUT Standard 2-bemenető TTL NND kapu áramköre Kettıs 4-bementő TTL NND kapu layout-ja z egyetlen dióda emitter-bázis átmenettel van megvalósítva TTL FESZÜLTSÉGSZINTEK Kimeneten: Bemeneten: 5V TTL LPKPU FESZÜLTSÉGEI, BEMENET LCSONY (LOW) 4V H 3V 2,4V 2V T 1V 0,4V L 0V H 2V T 0,8V L 33 0 V +0,7 V 0 V 0 V +3,6 V (> +2,4 V) I be < U T /R 1 = 5 V / 4 k 1,2 m (specifikáció 1,6 m) U ki (üresjárásban) = 5-2 x 0,7 = +3,6 V 34 TTL LPKPU FESZÜLTSÉGEI, BEMENET MGS (HIGH) TTL LPKPU TRNSZFER KRKTERISZTIKÁJ +2 V +1,4 V ~+0,8 V z átviteli karakterisztika alakját lényegében az aktív felhúzó üzem és a totem-pole kimenet határozzák meg. U be +2 V +0,7 V U ki 0 V ( 0,4 V) I be 40 µ, U ki 0,4 V. T2 és T3 tranzisztorok telítésben vannak, ez jelentıs sebességkorlátozó tényezı. Kimenten 0 1 átmenet: nsec késleltetés

7 5V 4V 3V 2V 1V U TTL INVERTER TRNSZFER KRKTERISZTIK 1 = kb. 0,7-1,4 V bemeneti feszültség tartományban a T2 tranzisztor aktív üzemmódban mint közös emitteres erısítı mőködik, u = - 1,6 k / 1 k = -1,6 meredekség: -1,6 U TTL BEMENETI KRKTERISZTIK megengedett (logikai) tartomány 0V 1V 2V 3V 4V 5V TTL KIMENETI KRKTERISZTIK kimeneti karakterisztika függ a logikai állapottól! Kimeneti karakterisztika (kimenet LOW) TTL KIMENETI KRKTERISZTIK kimeneti karakterisztika függ a logikai állapottól! Kimeneti karakterisztika (kimenet HIGH) megengedett (logikai) tartomány megengedett (logikai) tartomány KIMENETI FOKOZT: TOTEM-POLE Standard TTL-kapcsolásokban: ellenütemő kimeneti fokozat totem pole -kimenet. Ez a leggyakoribb TTL-kimenet. Több kimenetet nem szabad párhuzamosan kapcsolni. Üzemmód: pull-down és pull-up. Több TTL-kimenet összekapcsolása (pl. buszrendszerek): nyitott kollektoros kimenet (open collector) NYITOTT KOLLEKTOROS INVERTER Tri-State-kimenet T1 D T2 T3 VCC (+5V) U T R T Ki GND (0V) lkalmazás: nagyobb kimeneti áramok, nagyobb tápfeszültségek, stb., továbbá ún. huzalozott kapuknál. 1

8 OPEN-COLLECTOR KIMENET kimeneti tranzisztor mindig pull-down-üzemmódban dolgozik. Vezetési állapotában a kimenetet a testponttal összeköti, zárt állapotában pedig leválasztja (nagy ellenállás). OPEN COLLECTOR KIMENETEK KPCSOLÁS 5 V R C OC kimenetek párhuzamos kapcsolása. OC kimenetek kapcsolási rajzjele HÁROMÁLLPOTÚ (TRI-STTE) KIMENET Tri-State-kimenet: totem-pole-kimenet módosított változata. z engedélyezı bemenetre adott 0 -szint mindkét kimeneti tranzisztort egyszerre lezárja. X 1 X 2 EN Y L L H H L H H H H L H H H H H L irreleváns L leválasztva OPEN-COLLECTOR KIMENETEK ÖSSZEKÖTÉSE Huzalozott VGY, huzalozott ÉS funkció wired-or wired-nd OC KIMENET: FELHÚZÓ ELLENÁLLÁS MÉRETEZÉSE Minimális értékét az L, maximális értékét a H kimeneti szint határozza meg: Open-Collector (m db kimenet) TTL bemenetek (n db bemenet) Open-Collector (m db kimenet) TTL bemenetek (n db bemenet) 5V 4V 3V 2V 1V SCHMITT-TRIGGERES BEMENETŐ INVERTER U = Hiszterézis 0,8 V U Lassan változó, vagy zajjal terhelt jelek is feldolgozhatók. Ha a zavar amplitúdója kisebb mint a hiszterézis, nem okoz hibás mőködést R pu min U = I B max OL U n I OL max IL R pu max U = m I B min OH U + n I OH min IH 47 0V 1V 2V 3V 4V 5V 48

9 SCHMITT-TRIGGERES BEMENETŐ INVERTER Schmitt-trigger bemenető inverter funkciója nem logikai, hanem áramköri. Schmitt-trigger áramkör megformálja a bementére érkezı jelet, a jelváltozások átmenteit meredekebbé teszi (felgyorsítás). HÁROM ÁLLPOTÚ KIMENET B V 49 kapu mőködését egy V tiltja vagy engedélyezi. Ha V tilt (HIGH), a kiment egy ún. harmadik, nagyimpedanciás állapotba kerül, nem befolyásolja a következı kapu állapotát. 50 HÁROM ÁLLPOTÚ KIMENET Normál totem-pole kimenet: nem köthetık össze, tönkremegy! Több kimenet egy vezetékre kapcsolása: háromállapotú (tri-state) kimenető kapuval. Felhasználás: busz vezeték meghajtása. buszvezetékre csatlakoztatott tri-state kimenető áramkörök közül mindig csak egyet szabad engedélyezni, a többi kimenete lebeg, így nem befolyásolják a buszvezeték állapotát, és nem is károsítják egymást ÁLLPOTU KIMENET: LKLMZÁS Tri-State kimenetek gyakorlati alkalmazása: z Open-Collector-os megoldáshoz képest elınye az, hogy nem kell a kapcsolás változtatásakor a felhúzó-ellenállást újraméretezni. Hátránya, hogy az összekötött kimenetek közül egyszerre csak az egyik lehet aktív, ez vezérlést igényel (az EN-bemenet). inaktív állapot = nagy-ohmos lezárás (high impedance). 52 TRI-STTE KIMENET TRI-STTE KIMENET Példa: 74LS245 DIR= 0 adatút B DIR= 1 adatút B µp-adatbusz (kétirányú) 74LS245 egyik jellemzı alkalmazása: Schmitt-triggerbemenet jele G = ENBLE (Tri-Statefunkció) G= 1 nagyohmos leválasztás Schmitt-triggeres adatbemenet: zavarjelelnyomás (Hiszterézis: TTL + 0,4 V) 53 8-bites mikroprocesszorbusz és két perifériaegység - és B - összekapcsolása 54

10 TIPIKUS LÁBKIOSZTÁSOK TTL GYKORLT Egy kapu nem használt bemenetei egy soros ellenálláson keresztül a tápfeszültségre kötendık. Egy tokban lévı nem használt kapuk bemeneteit 0 V-ra vagy a tápfeszültségre célszerő kötni oly módon, hogy a kimenet a magas szinten legyen. 55 IC TOKOZÁS ZJTRTLÉK egy fokozat legrosszabb esetbeli (worst case) kimenıfeszültsége és a következı fokozat legrosszabb esetbeli bemenı feszültsége közötti különbség (noise margin). Minél nagyobb a zajtartalék, annál nagyobb az a zavarófeszültség, melyet a kimenethez hozzáadva még nem okoz hibás mőködést STTIKUS ZJTRTLÉK FN-OUT Kimenet Bemenet 1 zajtartalék Mérıszám, egy kapukimenet azon képességére vonatkozik, hogy milyen mértékben tudja a következı kapuk bemenetét meghajtani. Rendszerint egy áramkörcsaládon belül a megengedett (szabványos) egységterhelések számával mérik. 0 zajtartalék 59 Általában egy inverter-bemenet az egységterhelés. 60

11 Statikus: TELJESÍTMÉNYFELVÉTEL ohmikus veszteségek (passzív komponensek) Dinamikus: a kondenzátoroknak az ellenállásokon keresztül való feltöltésekor illetve kisütésekor keletkezı ohmikus veszteség TELJESÍTMÉNY-KÉSLELTETÉS SZORZT Áramkörtípus akkor jó ha kicsi a késleltetése és a teljesítményfelvétele. Jósági szám (figure-of-merit): a két paraméter szorzata (power-delay product). 54/74 típus: t pd = 10 nsec, egy kapura P = 10 mw P t pd = 100 pj 61 Értelmezhetı (kb.) mint 1 bit kapcsolásához szükséges energia. 62 VÉGE 63