DIGITÁLIS TECHNIKA 11. Előadás

Átírás

1 DIGITÁLIS TECHNIKA 11. Előadás Előadó: Dr. Oniga István Egyetemi docens 2010/2011 II félév

2 Digitális integrált áramkörök technológiája A logikai áramkörök megépítéséhez elıször is ki kell választanunk a megfelelı integrált áramköröket (IC-ket). Milyen sebességgel követelünk meg a berendezésünktıl? Mekkora lehet a teljesítmény felvétele? Milyen körülmények között fog mőködni (környezetbıl érkezı elektromos vagy egyéb zavaró tényezık)? stb. Az IC-ket a gyártási technológiájuk, fıbb paramétereik alapján elemcsaládokba soroljuk: Két elterjedtebb IC technológia létezik CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) TTL (transistor-transistor logic)

3 Logikai áramkörök jellemzői (1) Tápfeszültség szintek TTL: +5V LVTTL: +3,3V CMOS: + 5 V, + 3,3 V, + 2,5 V, és +1,2 V Integrált áramkörök feszültségszintjei Logikai 0-s vagy 1-es feszültségszintek? L (low, alacsony) - nulla Volthoz közeli szint H (high, magas) - a tápfeszültséghez közeli szint. A feszültségszintek és a logikai értékek egymáshoz rendelése kétféleképpen történhet : pozitív logika szerint: az L szint a logikai nullát, a H szint a logikai egyest jelöli, negatív logika szerint: az L szint a logikai egyest, a H szint a logikai nullát jelöli. Pozitiv VH(max) 1 logic (High) Tiltót 0 logic (Low) V H(min) V L(max) V L(min) Negativ 0 logic (High) Tiltót 1 logic (Low)

4 Logikai áramkörök jellemzői (2) Zavar (zavaró jel): Zavarvédettség Az áramkör jelvezetékein keletkezı rendellenes feszültségimpulzus Elektromágneses térerı induktív csatolás Nagyfrekvenciás - kapacitív csatolás Az ipari környezetben mőködı hálózatokat A helyes mőködés feltételei: U bel max > U kil max ; U beh min <U kih min. DC zajtávolság - Egy áramkör zavarvédettségén immunitásán - azt a feszültségértéket értjük, amely az áramkör bemeneti jelére szuperponálódva, az áramkör kimenetén még nem okoz logikai szintváltást U zvl = V bel max - V kil max U zvh = V kih min - V beh min zavaró jel

5 Logikai áramkörök jellemzői (3) CMOS Integrált áramkörök feszültségszintjei

6 Logikai áramkörök jellemzői (4) TTL Integrált áramkörök feszültségszintjei

7 Logikai áramkörök jellemzői (5) Jelterjedési idı t phl t plh V H 50% V L V H 50% V L t p = ( t plh + t phl ) / 2.

8 Logikai áramkörök jellemzői (6) Terhelhetıség, Fan-out egy logikai elem kimenetére legfeljebb hány bemenet csatlakoztatható (Fan-out) a kimeneten leadott illetve a bemeneteken felvett áramok nagysága határozza meg Pl. egy adott család esetében I kilmax =16mA I kihmax =0,4mA I belx =1,6mA I beh =40µA FO L = I kil max /I bel FO H = I kih max /I beh FO = min ( FO L, FO H ).

9 Logikai áramkörök jellemzői (7) TTL Terhelhetıség, Fan-out CMOS kapacitív terhelés, minél nagyobb annál kisebb a mőködési frekvencia

10 Logikai áramkörök jellemzői (8) Teljesítményfelvétel Disszipáció: az a teljesítmény, amely hıvé alakul Ha a logikai áramkört 50% kitöltéső tényezıjő órajellel kapcsolgatjuk I CC =(I CCH +I CCL )/2 P D = V CC I CC

11 Logikai áramkörök jellemzői (9) Minıségi tényezı Csoport Család Jelterjedési idı t pd [ns] Teljesítményfelvétel P d [mw] Minıségi tényezı Bipoláris TTL (standard) Bipoláris HTTL Bipoláris LPTTL Bipoláris STTL (Schottky) Bipoláris LPSTTL Bipoláris TSL Bipoláris ECL < Bipoláris I 2 L >10 > 0,01 < 1 MOS PMOS MOS NMOS MOS CMOS 30 0,1 3

12 CMOS rendszerű kapuk MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor) - térvezérelt tranzisztorok CMOS = komplementer - MOS integrált áramkörök p és n csatornás növekményes típusú MOS tranzisztor-párokból épülnek fel. Nyelő (D) vezérlő elektróda (G) Forrás (S) I D V T>0 V GS + 5V + 5V D +5V ON = G S 0V G + 5V + 5V D OFF = S a) n csatornás Nyelő (D) vezérlő elektróda (G) Forrás (S) V T <0 I D V GS 0V G + 5V + 5V S ON = D + 5V + 5V S + 5V OFF = G D b) p csatornás

13 CMOS inverter Minden vezérlési állapotban (H agy L szintnél) csak az egyik tranzisztor vezet. Az alacsony szintő (V SS ) bemenı jelnél az n csatornás (T1) tranzisztor zár, ugyanakkor a T2 tranzisztor nyit. A kimenet - a vezetı T2 tranzisztor kis csatorna-ellenállásán keresztül - az V DD tápfeszültség pontra kapcsolódik. Az V DD szintő vezérlésnél a tranzisztorok állapota felcserélıdik, s ezért a kimeneti feszültségszint jó közelítéssel az V SS értékével fog megegyezni. Az áramkör a logikai tagadást valósítja meg.

14 CMOS inverter jellemzői Nyugalmi állapotban a CMOS kapu nagyon kis fogyasztású mivel mindig legálabb egyik tranzisztor zár (a disszipáció is 10 nw nagyságrendő). A két tranzisztor átkapcsolása között átfedés jöhet létre. Amikor mindkét tranzisztor vezet - átmenetileg megnı a tápáram felvétel. A disszipáció frekvenciafüggı - Jellemzı értéke 1µW/kHz körüli. A MOS tranzisztorok küszöbfeszültsége V T = 2V. Az áramkör széles tápfeszültség tartományban használható. Ez az áramkörcsaládok legtöbbjénél 3-15 V lehet. A CMOS áramkörök korábbi változataiban az átlagos jelterjedési idı tpd=50 ns. A legújabb fejlesztések eredményeként már léteznek a normál TTL sorozat késleltetési idejét megközelítı CMOS áramkörök is.

15 CMOS NAND és NOR VAGY-NEM (NOR), ÉS-NEM (NAND).

16 CMOS kapcsoló I V 0 0 HiZ 1 V I Ellenpárhuzamosan kapcsolt komplementer tranzisztor-pár A kapcsoló a T1 n csatornás és T2 p csatornás tranzisztor V I = V DD mindkét tranzisztor vezérlése nyitó irányú. V SS szintő vezérlésnél, mindkettı zár A MOS tranzisztorok szimmetrikusak, ezért a source és drain felcserélhetı.

17 CMOS háromállapotú kimenetek Számítógépes rendszerekben buszrendszerek, amelyeken több eszköz is osztozik, de egyidıben csak egyetlen, áramkör használhatja. Háromállapotú kimenetekkel rendelkezı áramköröket alkalmazunk. Mindig egy egy buszon egyszerre csak egy eszköz lehet aktív! Egy vezérlıbemenettel kikapcsolhatók a kimenetek (nagy impedanciás módba állíthatók).

18 CMOS áramkörök Nagyon jelentıs hátrány, hogy a szabadon hagyott bemenet kapacitása statikusan olyan mértékben feltöltıdhet, hogy tönkremehet az áramkör. Ez viszont csak a korábbi típusoknál volt így. Ma már az áramkörökön belüli Zener diódás védıkapcsolásokkal gyártják az áramköröket + 5 V CMOS + 3,3 V CMOS (LV-CMOS) V IL max 1,5 V 0,8 V V IH min 3,5 V 2 V V 0L max 0,33 V 0,4 V V 0H min 4,4 V 2,4 V U zvl = V bel max - V kil max = 1,5-0,33 = 1,17 V U zvh = V kih min - V beh min = 4,4-3,5 = 0,9 V

19 TTL rendszerű kapuk A normál TTL sorozat alap kapuja a NAND (NEM-ÉS) kapu több emitter -es (multi emitter) bemenet (T1 tranzisztor), vezérlı fokozat (T2 tranzisztor); a kimeneti (totem-pole) fokozatt (T3, T4 tranzisztorok, totem-pole).

20 TTL NAND kapu jellemzői - V IL max =0,8 V - V IH min =2,0 V - V 0L max =0,4 V - V 0H min =2,4 V I kilmax =16mA I kihmax =0,4mA I belx =1,6mA I beh =40µA M L =V IL max -V 0L max =0,8-0,4=0,4 V M H =V 0H min -V IH min =2,4-2,0=0,4 V A tipikus fan-out érték FO=10 Az átlagos jelterjedési idı tpd =10 ns 0 szintnél a kapu áramfelvétele ~3 ma, az 1 szintnél pedig ~1 ma I cc =(I ccl +I cch )/2=2 ma Teljesítményfelvétel Pd =2mAx5V=10 mw

21 TTL NAND kapu jellemzői I kilmax =16mA I kihmax =0,4mA I belx =1,6mA I beh =40µA

22 Nem használt bemenetek

23 Nyitott kollektoros kimenetek sok kimenetet egyetlen ÉS, esetleg VAGY kapu bemeneteire kötni open collector több ilyen kapu kimenetét összekötjük, - ún. huzalozott ÉS kapcsolat

24 Háromállapotú (tristate) kimenetek kikapcsolhatók kimenetek (nagy impedanciás módba állíthatók). EN =1

25 TTL csalad TTL standard 74, LP-TTL, HTTL, LV-TTL TTL Schottky 74S 74LS, 74AS,74ALS,74F Paraméterek Seria 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F V OHmin 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V V OLmax 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V V IHmin 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V V ILmax 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V I OHmin - 0,4 ma - 1,0 ma - 0,4 ma -2,0 ma - 0,4 ma - 1,0 ma I OLmin 16 ma 20 ma 8 ma 20 ma 4 ma 20 ma I IHmax 40 µa 50 µa 20 µa 20 µa 20 µa 20 µa I ILmax - 1,6 ma -2,0 ma - 0,4 ma - 0,6 ma - 0,2 ma - 0,6 ma t p 10 ns 3 ns 10 ns 1,5 ns 4 ns 2,5 ns Digitális P d Technika 2010/ mwii félév 20 mw 2 mw 20 mw 1 mw 4 mw