DIGITÁLIS TECHNIKA II

Hasonló dokumentumok
DIGITÁLIS TECHNIKA II

DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

Feszültségszintek. a) Ha egy esemény bekövetkezik akkor az értéke 1 b) Ha nem következik be akkor az értéke 0

ANALÓG ÉS DIGITÁLIS TECHNIKA I

Integrált áramkörök/3 Digitális áramkörök/2 CMOS alapáramkörök Rencz Márta Ress Sándor

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Térvezérlésű tranzisztorok (FET)

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Integrált áramkörök/2 Digitális áramkörök/1 MOS alapáramkörök. Rencz Márta Ress Sándor Elektronikus Eszközök Tanszék

DIGITÁLIS TECHNIKA 11. Előadás

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

11.2. A FESZÜLTSÉGLOGIKA

XI. DIGITÁLIS RENDSZEREK FIZIKAI MEGVALÓSÍTÁSÁNAK KÉRDÉSEI Ebben a fejezetben a digitális rendszerek analóg viselkedésével kapcsolatos témákat

ELEKTRONIKA I. TRANZISZTOROK. BSc Mérnök Informatikus Szak Levelező tagozat

ELEKTRONIKA I. (KAUEL11OLK)

Teljesítmény-erősítők. Elektronika 2.

Elektronika 11. évfolyam

A PC vagyis a személyi számítógép. VII. rész

Laptop: a fekete doboz

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Elektronika Előadás

Diszkrét aktív alkatrészek

Irányítástechnika Elıadás. A logikai hálózatok építıelemei

Gingl Zoltán, Szeged, dec. 1

Gingl Zoltán, Szeged, :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Az N csatornás kiürítéses MOSFET jelleggörbéi.

Elektronika alapjai. Témakörök 11. évfolyam

UNIPOLÁRIS TRANZISZTOR

Bevezetés az elektronikába

Műveleti erősítők. 1. Felépítése. a. Rajzjele. b. Belső felépítés (tömbvázlat) c. Differenciálerősítő

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Logikai kapuáramkörök

Integrált áramkörök/2. Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék

DIGITÁLIS TECHNIKA II

DIGITÁLIS TECHNIKA II

- elektromos szempontból az anyagokat három csoportra oszthatjuk: vezetők félvezetők szigetelő anyagok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: A tranzisztor, mint kapcsoló

Műveleti erősítők - Bevezetés

29.B 29.B. Kombinációs logikai hálózatok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: FET tranzisztoros kapcsolások

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

DIGITÁLIS TECHNIKA II

MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA I

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Elektronika I. Dr. Istók Róbert. II. előadás

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

IRODALOM. Elektronika

Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

TFBE1301 Elektronika 1.

F1301 Bevezetés az elektronikába Térvezérlésű tranzisztorok

SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK, VEZETŐK

MUNKAANYAG. Mádai László. Logikai alapáramkörök. A követelménymodul megnevezése: Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása

MOS alapáramkörök. CMOS áramkörök, konstrukciós kérdések. Elektronikus Eszközök Tanszéke.

DIGITÁLIS TECHNIKA Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

PN átmenet kivitele. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

i1. Az elektronikában alkalmazott mennyiségek SI mértékegységei és prefixei.

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 4. DC MOTOROK VEZÉRLÉS

Foglalkozási napló a 20 /20. tanévre

MIKROELEKTRONIKA 7. MOS struktúrák: -MOS dióda, Si MOS -CCD (+CMOS matrix) -MOS FET, SOI elemek -MOS memóriák

Kombinációs hálózatok és sorrendi hálózatok realizálása félvezető kapuáramkörökkel

I. Nyitó lineáris tartomány II. Nyitó exponenciális tartomány III. Záróirányú tartomány IV. Letörési tartomány

2.Előadás ( ) Munkapont és kivezérelhetőség

Alapkapuk és alkalmazásaik

MODULÁRAMKÖRÖK ÉS KÉSZÜLÉKEK

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Dr. Oniga István DIGITÁLIS TECHNIKA 8

ELEKTROTECHNIKA-ELEKTRONIKA ELEKTROTECHNIKA

Bevezetés az elektronikába

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Digitális kapcsolások megvalósítása Bináris állapotok megvalósítása

Érzékelők és beavatkozók

1.zh Kösse össze a két oszlop egy-egy összetartozó fogalmát! pozitív visszacsatolás

Attól függően, hogy a tranzisztor munkapontját melyik karakterisztika szakaszon helyezzük el, működése kétféle lehet: lineáris és nemlineáris.

MUNKAANYAG. Mészáros Miklós. Félvezető eszközök, áramköri elemek II. A követelménymodul megnevezése: Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása

Békéscsabai Kemény Gábor Logisztikai és Közlekedési Szakközépiskola "Az új szakképzés bevezetése a Keményben" TÁMOP

Mikroelektronika és technológia, VI. sz gyakorlat Mérések a CMOS IC gyártási eljárás ellenõrzésére

DIGITÁLIS TECHNIKA feladatgyűjtemény

Integrált áramkörök/4 Digitális áramkörök/3 CMOS megvalósítások Rencz Márta

A BIPOLÁRIS TRANZISZTOR.

Áramgenerátorok alapeseteinek valamint FET ekkel és FET bemenetű műveleti erősítőkkel felépített egyfokozatú erősítők vizsgálata.

Analóg áramkörök Műveleti erősítővel épített alapkapcsolások

TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA

feszültség konstans áram konstans

Elektronika Előadás. Műveleti erősítők táplálása, alkalmazása, alapkapcsolások

A PC vagyis a személyi számítógép. VI. rész A mikroprocesszort követően a számítógép következő alapvető építőegysége a memória

Koincidencia áramkörök

Alapkapuk és alkalmazásaik

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

DIGITÁLIS TECHNIKA 8 Dr Oniga. I stván István

Logikai áramkörök. Informatika alapjai-5 Logikai áramkörök 1/6

Lineáris és kapcsoló üzemű feszültség növelő és csökkentő áramkörök

Elvonatkoztatási szintek a digitális rendszertervezésben

Bevezetés az elektronikába

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

10. Digitális tároló áramkörök

Standard cellás tervezés

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Digitális rendszerek II. Dr. Turóczi Antal

Átírás:

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 (171-189 old.) Tieze., Schenk h: Analóg és digitális áramkörök (174-175 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 89-91 old. 1 c. könyvein, jegyzetein alapulnak. ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ JK FF 0 1 3 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.) http://www.indiabix.com/electronics-circuits/4-bit-ripple-counter/ 3 ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ JK FF ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ FF 0 1 3 0 1 Q A Q B Q Q A Q B Q 5 6 1

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 0 0 0 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

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. 13 14 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 1. 15 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

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... 19 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

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

Epitaxy Growth Isolation Implantation N-Si epitaxiás réteg növesztése Elválasztó (p-típus) implantáció n-epi p + n-epi p+ 31 3 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 35 36 6

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 39 40 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. 41 4 7

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. 45 46 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 1. 47 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

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. 49 50 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. 53 - 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