34-35. Kapuáramkörök működése, felépítése, gyártása I. Logikai áramkörcsaládok Diszkrét alkatrészekből épülnek fel: tranzisztorok, diódák, ellenállások Két típusa van: 1. TTL kivitelű kapuáramkörök (Tranzisztor-Tranzisztor Logika) 2. CMOS kivitelű kapuáramkörök (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, komplementer fém-oxid félvezető.) Ezeknek az áramköröknek a logikai tulajdonságait használják fel az IC-kben manapság, hogy a felhasználót megkíméljék a bonyolult áramkörök építésétől. 1. TTL kivitelű kapuáramkörök: A TTL kapuáramkörök legjellemzőbb áramköre a NAND kapu. De ezen kívül van pl. NOR kapu is, melynek működését most nem tárgyaljuk. Egy kétbemenetű változatot mutat az ábra. Működése: A T1 többemitteres (multiemitteres) tranzisztor Logikai ÉS kapcsolatot valósít meg az áramkör bemenetén. - Tehát a tranzisztor csak akkor ZÁR LE, ha mindkét emitterére logikai 1 szint kerül. Ilyenkor T1 kollektora magas feszültségszinten van. IG. táblázat miatt! - Ha, bármelyik bemenetén 0 szint van, akkor a tranzisztor NYITVA VAN, kimenete tehát alacsony feszültségszintű (Low). 1 Összeállította: Pagony Péter
- A T2 tranzisztor bázisán lévő alacsony feszültség (ha T1-Low) a tranzisztort ZÁRVA tartja. Zárt T2 tranzisztoron nem folyik áram, ezért az emitterellenállásán nincs feszültség, így T4 nem tud kinyitni. - Mivel T2 kollektora ilyenkor közel tápfeszültségen van, (mert T2-n nem folyik áram, ezért kollektorellenállásán nincs feszültségesés), a T3 KINYIT. - A T3 nyitott és T4 zárt állapota azt jelenti, hogy az F kimenet közel tápfeszültségen, tehát logikai 1 szinten van. - Ha a T1 valamennyi bemenetére 1 szint kerül, akkor az előzőekből következően az F kimeneten 0 szint lesz. (A kapcsolásban szereplő D diód a a T3 tranzisztor biztosabb zárását segíti.) NOR kapu A kapuáramkörök, mint integrált alkatrészek legfontosabb katalógusadatai: tápfeszültség, UT. A TTL áramköröknél értéke egységesen 5 V ± 5%. A MOS áramkörök viszonylag széles tápfeszültség-tartományban működnek. A szokásos tápfeszültségük UT= 3 V-15 V. A tápfeszültség értéke meghatározza az áramkör valamennyi jellemzőjét. logikai feszültségszintek. A logikai "0" (hamis) és a logikai "1" (igaz) értékekhez tartozó feszültségtartomány. zajtartalék, vagy zajérzéketlenség. Ezen a feszültségtartományon belüli feszültségváltozás nem változtatja meg az áramkör logikai állapotát. Ez egy áramkör kimenete és az azt követő áramkör bemenete között értelmezett mennyiség. A TTL áramköröknél a szintekből következően "0" és "1" szinten is 0,4 V az értéke, mert 0,8-0,4=0,4 V, illetve 2,4-2=0,4 V. A CMOS áramköröknél "0" és "1" szinten is kb. 1 V. kimeneti terhelhetőség, fan out. Az áramkörök maximális kimeneti árama határozza meg, hogy mekkora az a terhelés, amely mellett az áramkör még helyesen működik. A digitális áramkörök kimenete általában újabb digitális áramkörbemeneteket hajt meg, ezért a maximális kimeneti áramnál jobban jellemzi a kimeneti terhelhetőséget az, hogy hány darab áramkörbemenetet képes a kimenet meghajtani. Egy egységterhelésnek tehát egy kapuáramkör bemenet számít. 2 Összeállította: Pagony Péter
2. CMOS kivitelű kapuáramkörök P és N csatornás MOSFET-ekből épül fel. A NAND kapu n csatornás tranzisztorai a gate elektródájukra adott 0 V feszültségre, tehát 0 szintre lezárnak, a p csatornások pedig kinyitnak. A kimeneti terhelhetőség a MOS áramköröknél jóval nagyobb, mint a TTL áramköröknél, mert a MOS tranzisztorok gyakorlatilag nem igényelnek a vezérlésükhöz teljesítményt. II. Integrált áramkörök (IC- Integrated Circuit) A fenti logikai áramkörcsalád két típusát (amik diszkrét alkatrészekből állnak), most már kizárólag integrált áramköri kivitelben gyártják, valósítják meg. Így, digitális áramköri egységeket alkotnak. Egyetlen kis szilíciumlapkán sok (száz, ezer vagy millió) diszkrét alkatrészekből álló áramkörrel egyenértékű rendszert hoznak létre. Chipnek is szokták nevezni a kis méret miatt. Eredmény: - kisebb méret - olcsóbb - megbízhatóbb 1. Az IC-k tulajdonságai Integrált áramkör tokozása (DIL-Dual In Line) 16 vagy 14 kivezetése van mikroprocesszorok 40 kivezetéssel készülnek az IC-k típusát a tokozáson tüntetik fel 3 Összeállította: Pagony Péter
2. Az IC-k gyártása, osztályozása: Az integrált áramköröket (IC) az egy chipben lévő alkatrészek száma, vagy más szóval az integráltság mértéke szerint osztályozhatjuk. SSI (Small Scale Integration- kismértékű integráltság): - áramköri elemek száma: 30-40 - különböző logikai függvényeket megvalósító kapuáramkörök és flip-flop-ok MSI (Medium Scale Integration- közepes mértékű integráltság): - áramköri elemek száma több száz - számlálók, regiszterek, multiplexerek stb. LSI (Large Scale Integration- nagymértékű integráltság): - áramköri elemek száma több ezer - kiskapacitású memóriák, shift regiszterek, univerzális célú időzítő VLSI (Very Large Scale Integration- nagyon nagymértékű integrálás ) - áramköri elemek száma több millió - planár technológiával (síkbeli elrendezésben történik a gyártás) készül a gyártás A gyártás síkja a félvezető szelet (wafer) felülete Kiindulási alap: a rudakban készülő szilícium egykristály Ezekből szeletelik a 2-12 (zoll inch hüvelyk, jele: ) átmérőjű szeleteket Ezek vastagsága kb. negyed milliméter Egy szeleten több ezer IC (chip = die) készül egyszerre 4 Összeállította: Pagony Péter
Felhasználd irodalom: http://eszakpestitiszk.dyndns.org/tananyagok/elektro/ele13_06a.htm Digitális áramkörök-szücs László Texas TTL Receptek-1978 Bp. Gyakorlati digitális elektronika-mike Tooley 5 Összeállította: Pagony Péter