DIGITÁLIS TECHNIKA II

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIK II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör álint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 9. ELŐDÁS Z ELŐDÁS ÉS TNNYG z előadások rató Péter: Logikai rendszerek tervezése ( old.) Tieze U., Schenk Ch: nalóg és digitális áramkörök ( old.) Zsom Gyula: Digitális technika I és II Rőmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: Digitális rendszerek I és II, enesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 2004 (28-46 old.) enesóczky Zoltán: Digitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorral, 2008, (22-33 old.) Kovács Cs. Digitális elektronika old. 1 c. könyvein, jegyzetein alapulnak. 2 ÁRMKÖRGENERÁCIÓK 1930-as évek, relés áramkörök, ell Labs (korai hajtóerő: telefon kapcsolástechnika) INTEGRÁLT ÁRMKÖR 1940-évek, elektroncsövek, pl. ENIC (electronic numerical integrator and calculator), 18 ezer cső, 140 kw (ma: négy alapműveletes kalkulátor kb. 9 ezer tranzisztor) (hajtóerő: katonai alkalmazások, tüzérségi röppálya számítások, stb.) 3 Kilby: Fizikai Nobel díj 2000 The Nobel Prize in Physics 2000: "for basic work on information and communication technology "for his part in the invention of the integrated circuit Si IC SZDLOM (FIRCHILD) R. Noice eredeti szabadalmának egy lapja: TRNZISZTOR ÉS Z IC tranzisztor a 20. századot leginkább meghatározó találmány. SEMICONDUCTOR DEVICE- ND-LED STRUCTURE Közzétéve: pril 25, 1961, (R. Noyce az INTEL egyik alapítója) 5 Kétféle tranzisztor elképzelés: - külső térrel vezérelni az elektronok áramát: térvezérlésű tranzisztor (FET, MOSFET, stb.) - az anyag (félvezető) belsejében létrehozni a vezérlő elektródát : bipoláris tranzisztor (JT) FET MOS JT TRNSISTOR Field Effect Transistor Metal-Oxide-Semiconductor ipolar Junction Trasistor TRNSfer resistor 6 1

2 ÁRMKÖRGENERÁCIÓK (2) 1950/1960 félvezető diódás és tranzisztoros áramkörök - RTL resistor-transistor-logic - DTL diode-transistor-logic - ECL emitter-coupled logic (később) 1961-től SSI (előzőek egy chipen) 1960-as évek TTL (transistor-transistor logic), Sylvania, majd igazán sikeresen Texas Instruments ÁRMKÖRGENERÁCIÓK Ellenállás-tranzisztor logika (RTL resistor-transistor-logic) kis áramerősítési tényezőjű tranzisztorok telítésbe kerülnek, kis kimeneti terhelhetőség ma már nem használják. Dióda-tranzisztor logika (DTL diode-transistor-logic) telítéses működés miatt nagy kapukésleltetési idő miatt nem használják as évek CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor) 7 8 TTL EVEZETŐ Elterjedt IC technológia Két alapváltozat 74 (ipari) és 54 (katonai) Több sorozat ipoláris tranzisztorok, diódák és ellenállások Tokozás DIL, SMT TTL SOROZTOK STNDRD ELVULT! SCHOTTKY ELVULT! S LOW-POWER SCHOTTKY LS DVNCED SCHOTTKY S FST F DIL SMT Dual-In-Line Surface Mounting Technology 9 DVNCED LOW-POWER SCHOTTKY LS 10 TTL ÁRMKÖRCSLÁD Lényegében a dióda-tranzisztor logika (DTL) módosított változata lacsony fokú integráció (SSI) és rövid késleltetési idők TTL áramkörcsalád emenet: multiemitteres-tranzisztor (ÉS funkció); Kimenet: háromféle: - ellenütemű, - nyitott kollektoros, - három-állapotú Legegyszerűbb TTL-áramköri elem a kétbemenetes NND-kapu Invertáló kimenetű (NND, NOR, NOT) kapuáramkörök technikailag egyszerűbben valósíthatók meg mint a neminvertálók. 11 TTL FESZÜLTSÉGSZINTEK Kimeneten: 5V Kötött feszültség szintek 4V H 3V 2,4V 2V T 1V 0,4V L 0V emeneten: H 2V T 0,8V L 12 2

3 TTL EMENETI KRKTERISZTIK TTL KIMENETI KRKTERISZTIK kimeneti karakterisztika függ a logikai állapottól! megengedett (logikai) tartomány kimenet LOW kimenet HIGH LOGIKI ÁRMKÖRÖK KPCSOLÁSTECHNIKI MEGVLÓSÍTÁS (KLSSZIKUS) TTL LPKPU (NND) 4 k 1,6 k 130 Egy-egy alapáramkör megvalósítására egész sor áramkörtechnikai megoldás létezik, amelyek: - teljesítményfelvételben, - tápfeszültségigényben - H ill. L szintben - sebességben, - kimeneti terhelhetőségben (fan out) térnek el egymástól. 15 D1 D2 1 k T4 D3 bemeneti fokozat, ÉS kapu,, második fokozat, fázishasító,, ellenütemű kimenőfokozat, totem-pole,, T4, diódás szinteltolóval. logikai funkciót diódák is ellátnák, a 16 tranzisztorhatás felgyorsítja az átkapcsolást. TTL NND LYOUT Standard 2-bemenetű TTL NND kapu áramköre Kettős 4-bemenetű TTL NND kapu layout-ja z ábrán látható elrendezés az integrált TTL kapcsolásokban ma már egyre kevésbé használják a tranzisztor telítéses működése miatt fellépő nagy kapukésleltetési idők miatt. Megoldás: Schottky-tranzisztorokból álló TTL kapu. (meggátolja, hogy a nyitott tranzisztor U CE < 0.3 V) 17 TTL LPKPU (NND) totem-pole kimenet felső tranzisztora mint aktív felhúzó terhelés kis dinamikus munkaellenállást képvisel, ami felgyorsítja a kimenetet terhelő kapacitások áttöltését, és így az átkapcsolást. 130 ohmos ellenállás szerepe áramkorlátozás. többemitteres tranzisztor a Texas Instruments szabadalma. D1 és D2 diódák a bemenetet védik az esetleges negatív túlfeszültség ellen, illetve a negatív amplitúdójú tranziensek és zavarjelek ellen. 18 3

4 (KLSSZIKUS) TTL LPKPU (NND) 4 k 1,6 k 130 TTL LPKPU FESZÜLTSÉGEI: EMENET MGS (HIGH) D1 D2 1 k T4 D3 +2 V U be +2 V +1,4 V ~+0,8 V +0,7 V U ki 0 V ( 0,4 V) ha kinyit, akkor is vezet, és T4 lezár. I kimenet L szintű lesz és a tranzisztor nagy áramot be 40 μ, U ki 0,4 V. és tranzisztorok telítésben vannak, ez jelentős sebességkorlátozó tényező. Kimeneten képes felvenni, mely pl. a kimenetre csatlakoztatott 0 1 átmenet: nsec késleltetés. és tranzisztor inverz kapubemenetből származik (L állapotban a üzemben van. bemenetekből folyik ki áram) 19 Ha minden bemenet H állapotú, akkor az R1-en átfolyó áram a 20 kinyitott C diódáján át folyik bázisára és azt kinyitja. (KLSSZIKUS) TTL LPKPU (NND) 4 k 1,6 k 130 TTL LPKPU FESZÜLTSÉGEI: EMENET LCSONY (LOW) T4 D1 D2 1 k D3 0 V +0,7 V 0 V 0 V +3,6 V (> +2,4 V) ha lezár, akkor lezár is. T4 kinyit és a kimeneten H szint jelenik meg. z emitterkövetőként I be < U T /R 1 = 5 V / 4 k 1,2 m (specifikáció: max 1,6 m) működő tranzisztor ebben az esetben nagy kimenő U ki (üresjárásban) = 5-2 x 0,7 = +3,6 V áramot képes leadni és a terhelő kapacitások is gyorsan Ha akár csak egy bementre is alacsony feszültségszintet adunk, akkor a hozzá tartozó E dióda kinyit és a bázisárama megszakad. lezár feltöltődhetnek és a kimenet H szintre kerül. 5V 4V 3V 2V 1V 0V U TTL INVERTER TRNSZFER KRKTERISZTIK kb. 0,7-1,4 V bemeneti feszültség tartományban a meredekség: -1,6 tranzisztor aktív üzemmódban mint közös emitteres erősítő U működik, 1V 2V 3V 4V 5V 1 = z átviteli karakterisztika alakját lényegében az aktív felhúzó üzem és a totem-pole kimenet határozzák meg. u = - 1,6 k / 1 k = -1, k 1,6 k 130 D1 D2 1 k TTL ÁRMKÖRCSLÁD T4 D3 z integrált TTL kapcsolásokban ma már egyre kevésbé használják a tranzisztorok telítéses működése miatt fellépő nagy kapukésleltetési idők miatt megakadályozása Schottky tranzisztor használata 24 4

5 TELJESÍTMÉNY-KÉSLELTETÉS SZORZT Áramkörtípus akkor jó ha kicsi a késleltetése és a teljesítményfelvétele. SCHOTTKY TRNZISZTOR Schottky telítésgátló diódás tranzisztor 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 Értelmezhető (kb.) mint 1 bit kapcsolásához szükséges energia. 25 dióda negatív visszacsatolást hoz létre, ha kinyit, és így meggátolja, hogy a nyitott tranzisztor kollektor-emitter feszültsége 0,3V alá csökkenjen. 26 SCHOTTKY TTL TTL nagyobb sebességű változata. Schottky dióda egy fém-félvezető dióda. Schottky gátas dióda a tranzisztor bázisa és kollektora között: megakadályozza hogy a tranzisztor telítésbe kerüljön. Schottky tranzisztor: nagyobb kapcsolási sebesség. Schottky dióda és a pn átmenet potenciálképei és az áram-feszültség karakterisztikái hasonlóak, azonban az áramvezetési mechanizmusok lényegesen különböznek. 27 DIGITÁLIS ÁRMKÖRÖK: SCHOTTKY-TTL Schottky-diódák és Schottky-tranzisztorok alkalmazása az áramkör működésének (a telítésbe vezérelt bipoláris tranzisztorok kapcsolási folyamatainak) gyorsításához vezet. Schottky-technológia legfontosabb áramkörcsaládjai az S- (Schottky) és az LS- (Low power Schottky) áramkörcsaládok. 28 LPÁRMKÖR: SCHOTTKY TTL NND Tranzisztorok: 4 kivételével (ez nem megy telítésbe) mindegyik kollektora Schottky diódával megfogva Védődiódák: gyors diódák, a negatív kilengések levágására 5: Emitter követő, felgyorsítja a kimenet 0 1 kapcsolását 50 ohm ellenállás: 0 1 kapcsolásnál korlátozza az áramtranzienst, továbbá biztosítja az impedanciaillesztést LOW-POWER SCHOTTKY lap-kapuáramkör LS-(Low- Power-Schottky) Technológiával Nagyobb ellenállások - kisebb áramok emeneti kapu: Schottky diódák Series 54LS/74LS t pd = 9 nsec, P = 2 mw t pd P = 18 pj Series 54S/74S t pd = 3 nsec, P = 19 mw t pd P = 57 pj hagyományos TTL kapuhoz viszonyítva a Schottky-áramkör ellenállás 30 értékeinek kb. ötszöröse. Teljesítményigénye ezért ötödrésze az előzőnek. 5

6 SCHOTTKY TTL:TELJESÍTMÉNY- KÉSLELTETÉS SZORZT 54S/74S típus: t pd = 3 nsec, egy kapura P = 19 mw P t pd = 57 pj 54LS/74LS típus: t pd = 9 nsec, egy kapura P = 2 mw P t pd = 18 pj 1,5-szer illetve 5-ször jobb mint a standard TTL (100 pj)! 31 KIMENETI FOKOZT: TOTEM-POLE Standard TTL-kapcsolásokban: ellenütemű kimeneti fokozat totem pole -kimenet. Ez a leggyakoribb TTL-kimenet. Több kimenetet nem szabad párhuzamosan kapcsolni - rövidzár veszély. Üzemmód: pull-down és pull-up. H és L szintre gyorsan kapcsol. Több TTL-kimenet összekapcsolása nagyon sok kapukimenet jelét kell eredő logikai kimeneti jel kialakításához összekapuzni (pl. buszrendszerek): - nyitott kollektoros kimenet (open collector) - Tri-State-kimenet 32 D NYITOTT KOLLEKTOROS KIMENET U T R T Ki 1 z ellenállás általában nincs beépítve az áramkörbe! L-H átmenete lassabb, mint a totem-pole kimeneté. kimeneti tranzisztor mindig pull-down-üzemmódban dolgozik. Vezetési állapotában a kimenetet a testponttal összeköti, zárt állapotában pedig leválasztja (nagy ellenállás). lkalmazás: nagyobb kimeneti áramok, nagyobb tápfeszültségek, stb., továbbá ún. huzalozott kapuknál. 33 NYITOTT KOLLECTOROS (OPEN COLLECTOR) KIMENETEK z ilyen kapuk kimenetén csupán egyetlen tranzisztor van, amelynek emittere a földre van kötve. Ezek a kimenetek párhuzamosíthatók és közös kollektor-ellenállással működnek. Hátránya: a kimeneti feszültség felfutási sebessége kisebb, mint az ellenütemű végfokozatoké, mert a parazita kapacitások itt csak az Rc ellenálláson keresztül töltődhetnek fel V OPEN COLLECTOR KIMENETEK KPCSOLÁS 5 V OPEN COLLECTOR KIMENETEK KPCSOLÁS R C OC kimenetek párhuzamos kapcsolása. R C kimeneti feszültség csak akkor lesz H szintű, ha minden kimenet H állapotú. Ez ÉS függvény a pozitív logikában. z L szint akkor áll elő a kimeneten, ha legalább egy vagy több kimenet L állapotú. Negatív logikában VGY függvényt kapunk. 35 OC kimenetek kapcsolási rajzjele. 36 6

7 Huzalozott ÉS-függvény ábrázolása logikai jelekkel. Nyitott kollektoros kimenettel kialakított VGY-függvény 37 Huzalozott VGY-kapcsolat Huzalozott ÉS-kapcsolat 38 OPEN-COLLECTOR KIMENETEK ÖSSZEKÖTÉSE OC KIMENET: FELHÚZÓ ELLENÁLLÁS MÉRETEZÉSE Minimális értékét az L, maximális értékét a H kimeneti szint határozza meg: Huzalozott VGY, huzalozott ÉS funkció wired-or wired-nd Mivel a függvény huzalozással valósul meg, ezért huzalozott logikájú kapcsolásnak nevezik. 39 R pu min U = I Open-Collector TTL bemenetek (m db kimenet) (n db bemenet) max OL U n I OL max IL R Open-Collector TTL bemenetek (m db kimenet) (n db bemenet) pu max U = m I min OH U + n I OH min IH 40 5V 4V 3V 2V 1V SCHMITT-TRIGGERES EMENETŰ 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 működést SCHMITT-TRIGGERES EMENETŰ INVERTER Schmitt-trigger bemenetű inverter funkciója nem logikai, hanem áramköri. Schmitt-trigger áramkör megformálja a bementére érkező jelet, a jelváltozások átmeneteit meredekebbé teszi (felgyorsítás). 0V 1V 2V 3V 4V 5V

8 V HÁROM ÁLLPOTÚ (tristate) KIMENET Számos alkalmazási területen lényeges egyszerűsítés érhető el a kapuk kimeneteinek párhuzamosításával, akkor ha egy vezetékre fűzött több kapu közül mindig az egyik logikai állapota kell meghatározza a kimeneti állapotot. Ilyenkor buszrendszerről beszélünk. kapu működését egy V tiltja vagy engedélyezi. Ha V tilt (HIGH), a kiment egy ún. harmadik, nagyimpedanciás állapotba kerül, nem befolyásolja a következő kapu állapotát. HÁROMÁLLPOTÚ (TRI-STTE) KIMENET Tri-State-kimenet: totem-pole-kimenet módosított változata. z engedélyező 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 HÁROM ÁLLPOTÚ KIMENET Normál totem-pole kimenet: nem köthetők össze, tönkremegy! Több kimenet egy vezetékre kapcsolása: háromállapotú (tri-state) kimenetű kapuval. HÁROMÁLLPOTÚ (TRISTTE) KIMENETEK kapuk kimeneteinek párhuzamosítása, úgy, hogy egy vezetékre fűzött több kapu közül mindig az egyik logikai állapota határozza meg a kimeneti állapotot. Ilyenkor buszrendszerről beszélünk. Felhasználás: busz vezeték meghajtása. buszvezetékre csatlakoztatott tri-state kimenetű áramkörök közül mindig csak egyet szabad engedélyezni, a többi kimenete lebeg, így nem befolyásolják a buszvezeték állapotát, és nem is károsítják egymást. 45 Ez a kimenet valódi ellenütemű kimenet azzal a járulékos tulajdonsággal, hogy egyfajta külön vezérlőjelre nagyohmos állapotba kerülhet. Ez un. harmadik állapot. 46 8