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

Hasonló dokumentumok
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

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

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

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

Mikroelektronikai tervezés tantermi gyakorlat

Irányítástechnika Elıadás. A logikai hálózatok építıelemei

Standard cellás tervezés

11.2. A FESZÜLTSÉGLOGIKA

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

DIGITÁLIS TECHNIKA 11. Előadás

Mikroelektronika. Számolja ki, hogy mekkora nyitófeszültség mellett lesz a nmos tranzisztor telítési árama 10mA. (V T =0.

Gingl Zoltán, Szeged, dec. 1

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

Műveleti erősítők - Bevezetés

DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

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

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

2.Előadás ( ) Munkapont és kivezérelhetőség

A PC vagyis a személyi számítógép. VII. rész

Kapuáramkörök működése, felépítése, gyártása

1. Kombinációs hálózatok mérési gyakorlatai

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila április 17.

Földzaj. Földzaj problémák a nagy meghajtó képességű IC-knél

Teljesítmény-erősítők. Elektronika 2.

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Integrált áramkörök/2. Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék

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

28. EGYSZERŰ DIGITÁLIS ÁRAMKÖRÖK

Kombinációs hálózatok és sorrendi hálózatok realizálása félvezető kapuáramkörökkel

Dr. Oniga István DIGITÁLIS TECHNIKA 8

Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

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

Elektronika I. Gyakorló feladatok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Logikai kapuáramkörök

1. Visszacsatolás nélküli kapcsolások

Név: Logikai kapuk. Előzetes kérdések: Mik a digitális áramkörök jellemzői az analóg áramkörökhöz képest?

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

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

Elvonatkoztatási szintek a digitális rendszertervezésben

Multi-20 modul. Felhasználói dokumentáció 1.1. Készítette: Parrag László. Jóváhagyta: Rubin Informatikai Zrt.

DC-DC BUCK ÁTALAKÍTÓ STATIKUS ÉS DINAMIKUS TERHELÉSSEL

DIGITÁLIS TECHNIKA I

A/D és D/A konverterek vezérlése számítógéppel

Elektronika Előadás. Műveleti erősítők felépítése, ideális és valós jellemzői

AUTOMATIKAI ÉS ELEKTRONIKAI ISMERETEK KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MINTAFELADATOKHOZ

Négyszög - Háromszög Oszcillátor Mérése Mérési Útmutató

Elektronikai technikus Elektronikai technikus

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Alapkapuk és alkalmazásaik

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

Analóg áramkörök Műveleti erősítővel épített alapkapcsolások

Versenyző kódja: 28 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA. Országos Szakmai Tanulmányi Verseny.

Elektrotechnika- Villamosságtan

1. Kombinációs hálózatok mérési gyakorlatai

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 7.

Encom EDS800/EDS1000 frekvenciaváltó alapparaméterei

Mérési utasítás. P2 150ohm. 22Kohm

Koincidencia áramkörök

DIGITÁLIS TECHNIKA II

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Laptop: a fekete doboz

Ideális műveleti erősítő

Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

Bevezetés az elektronikába

DIGITÁLIS TECHNIKA 8 Dr Oniga. I stván István

KÖZÖS EMITTERŰ FOKOZAT BÁZISOSZTÓS MUNKAPONTBEÁLLÍTÁSA

MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA. Országos Szakmai Tanulmányi Verseny. Elődöntő KOMPLEX ÍRÁSBELI FELADATSOR MEGOLDÁSA

Lineáris és kapcsoló üzemű feszültség növelő és csökkentő áramkörök

Hobbi Elektronika. A digitális elektronika alapjai: További logikai műveletek

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

A LED-optika elektrotechnikája. Pálinkás Gábor MÁV ZRT. Technológiai Központ

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

Áramkörök elmélete és számítása Elektromos és biológiai áramkörök. 3. heti gyakorlat anyaga. Összeállította:

Laborgyakorlat Logikai áramkörök számítógéppel segített tervezése (CAD)

ALAPFOGALMIKÉRDÉSEK VILLAMOSSÁGTANBÓL 1. EGYENÁRAM

Oszcillátor tervezés kétkapu leírófüggvényekkel

Szimmetrikus bemenetű erősítők működésének tanulmányozása, áramköri paramétereinek vizsgálata.

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

Gingl Zoltán, Szeged, szept. 1

Oé 0, 0 Z. pj J I I C Q4 Q6- Q6. L- cp5«ils273rie. p» D5-Q6 07 UJJ. Sí S2 S3 S4. Si S2 S3 4 M. -MM-M. 54LSé6 54LS*G CTTUJU *7] 54LS273 D7

Vegyes témakörök. A KAT120B kijelző vezérlése Arduinoval

Versenyző kódja: 7 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA. Országos Szakmai Tanulmányi Verseny.

Tranziens jelenségek rövid összefoglalás

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

29.B 29.B. Kombinációs logikai hálózatok

Magyar nyelvű szakelőadások a es tanévben

DIGITÁLIS TECHNIKA 7. Előadó: Dr. Oniga István

Nyomtatóport szintillesztő

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Boole algebra, logikai kifejezések

Tájékoztató. Használható segédeszköz: számológép

Átmeneti jelenségek egyenergiatárolós áramkörökben

MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA. Országos Szakmai Tanulmányi Verseny. Elődöntő KOMPLEX ÍRÁSBELI FELADATSOR

ÁGAZATI SZAKMAI ÉRETTSÉGI VIZSGA VILLAMOSIPAR ÉS ELEKTRONIKA ISMERETEK KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MINTAFELADATOKHOZ

Számítási feladatok a 6. fejezethez

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

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Villamosságtan szigorlati tételek

Elektronika 11. évfolyam

Alapkapuk és alkalmazásaik

Átírás:

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

Mai témák A CMOS inverter, alapfogalmak működés, számitások, layout CMOS kapu áramkörök alapkapuk, komplex kapuk 2/20

CMOS áramkörök Complementary MOS, n és p típusú növekményes tranzisztorok manapság egyeduralkodó logikai áramkörökben Elõnyei: a logikai szintek "tiszták", U H =U, U L =0V a statikus áramfelvétel =0 azonos fel- és lekapcsolási idők gyors működés tápfeszültség érzéketlen 3/20

CMOS inverter U U p Uin Uout Uin Uout n egy n és egy p típusú növekményes tranzisztorból aktív terhelésű inverter, a 2 tranzisztort egyszerre vezéreljük állandósult állapotban a két tranzisztor közül mindig csak az egyik vezet, a másik lezárt 4/20

CMOS inverter A kivitel vázlata egy keresztmetszeti ábrán A technológia bonyolultabb: az egyik tranzisztornak külön zsebet kell kialakítani, általában az n vezetésesnek, mivel a zseb diffúziója rontja a töltéshordozók mozgékonyságát 5/20

A CMOS inverter transzfer karakterisztikája 2 alapeset, a tápfeszültségtől és a tranzisztorok küszöbfeszültségétől függően Felső tranzisztor vezet Alsó tranzisztor vezet Felső tranzisztor vezet Alsó tranzisztor vezet V Tp V Tn V Tn V Tp U in 0 0 U U U in 1. kis tápfeszültség: U < V Tn + V Tp egyszerre csak az egyik tranzisztor vezet 2. nagyobb tápfeszültség V dd > V Tn + V Tp átkapcsoláskor egyszerre vezet mindkét tranzisztor 6/20

CMOS inverter 1. kis tápfeszültség: U < V Tn + V Tp a karakterisztika: U out U dd, ha... U = határozatlan, ha... VTn < U 0, ha... U Uout in in in < U < U < V dd Tn dd V V Tp Tp Uout U U határozatlan Uin Uin U-VTp VTn U VTn U U-VTp A transzfer karakterisztika középső szakasza nagyon meredek, ez a CMOS inverter jellegzetes előnye. 7/20

CMOS inverter 2. nagyobb tápfeszültség V dd > V Tn + V Tp Átkapcsoláskor? a karakterisztika szerkesztése: Uin U Uout U be =U GSn U ki =U DSn 8/20

CMOS inverter Méretezés szimmetrikus működésre: Ha U in =U K komparálási feszültség, a két tranzisztor árama megegyezik: K U 2 n( U K VTn ) = K p ( U U K VTp K U = V Tp 1+ + V K n Tn / K K p n / K p ) 2 U GSn =U K U GSp =U -U K A komparálási feszültség függ a két tranzisztor áramállandójának arányától. Ha a komparálási feszültséget a tápfeszültség felére szeretnék beállítani, és V Tn = V Tp, akkor K n =K p -t kell beállítani. W W = 2..2.5 L P L, mivel a lyukak mozgékonysága kb. 2, n 2.5x kisebb. 9/20

A kapcsolási idők számítása CMOS inverter Ha a 2 tranzisztor komplementer karakterisztikájú, a kapcsolási idők (fel és lefutás) egyformák lesznek. VLM Ha pl. 1-0 átmenetre: I c K ( U VT 2 ) t l = V C I t L C L du CL ( U = K( U V V LM 2 T ) ) Csökkenthető a tápfeszültség vagy W/L növelésével 10/20

CMOS inverter Példa Mekkora a következő adatokkal rendelkező CMOS inverter kapukésleltetése? CL=0.04pF, K0=20μ A/V 2 ; Vdd=5V; VT=1V; ULM=1V; W/L=2 (K=K0*W/L) t L CL ( U = K( U V V LM 2 T ) ) = 40E 15*4 2E 5*16 = 0.5ns 11/20

CMOS inverter FOGYASZTÁS Statikus fogyasztás nincs, a kapu statikus állapotában áram nem folyik. A működés közbeni, dinamikus fogyasztás két részből áll Egymásba vezetés a bemenő jel felfutásának egy szakaszában mindkét tranzisztor egyszerre vezet, ha V Tn <U in <U -V Tp Töltés-pumpálás Jelváltásokkor a kimeneten lévő C L terhelést 1-re váltáskor a p tranzisztoron keresztül tápfeszültségre töltjük, majd 0-ra váltáskor az n tranzisztoron keresztül kisütjük. töltést pumpálunk a tápból a föld felé. 12/20

CMOS inverter Egymásba vezetés a bemenő jel felfutásának egy szakaszában mindkét tranzisztor egyszerre vezet, ha V Tn <U in <U -V Tp I [10uA], U [V] 7.0 6.0 4.0 2.0 I Vin Vout 0.0 0.0n 10.0n 20.0n 30.0n 40.0n time [sec] ( ) 2 I MAX = K U / 2 VT, az átfolyó töltés, ΔQ = bt I UD MAX ahol t UD az idő, amíg áram folyik, b egy konstans, ami az átkapcsoló jel alakjától függ. b 0.1-0.2 2 P = fδqu = fu bt K U / 2 V ) UD P~f U 3 ( T (SPICE szimuláció) 13/20

Töltés-pumpálás CMOS inverter Jelváltásokkor a kimeneten lévő C L terhelést 1-re váltáskor a p tranzisztoron keresztül tápfeszültségre töltjük, majd 0-ra váltáskor az n tranzisztoron keresztül kisütjük. töltést pumpálunk a tápból a föld felé. ΔQ = C L L U P cp =f C L U 2 A töltéspumpálás teljesítmény igénye arányos a frekvenciával és a tápfeszültség négyzetével. A teljes fogyasztás a 2 összege (ha egymásba vezetés is van), arányos a frekvenciával és a tápfeszültség 2.-3. hatványával. 14/20

CMOS inverter layoutja U n zseb p + n - n + S D p-mos n + Uout p zseb p - p + S D n-mos GND Uin poli 15/20

CMOS kapuk A CMOS inverterben mindkét tranzisztort vezéreljük. A kapuk esetében egy "felső" ill. "alsó" hálózat fog megjelenni, mindkét hálózat annyi tranzisztorból áll, ahány bemenete van a függvénynek. Azoknál a bemeneti kombinációknál, ahol a függvény értéke 0, az alsó hálózat rövidzár a kimenet és a föld között, míg a felső hálózatnak szakadás a kimenet és a táp között ha a függvény értéke 1, akkor az alsó hálózat szakadás, a felső hálózat rövidzár a p ill. n tranzisztorokkal duális hálózatokat kell megvalósítani 16/20

CMOS NOR kapu az alsó hálózat két párhuzamosan kötött tranzisztorból áll. Ha A vagy B bemenet magas, valamelyik alsó tranzisztor vezet, a felső hálózatban viszont zár, így a kimenet 0. Ha mindkét bemenet 0, akkor a két alsó tranzisztor zár, a két felső nyit, a kimenet 1. 17/20

CMOS NAND kapu az alsó hálózat két sorba kötött tranzisztorból áll. CMOS kivitelben nem jelent hátrányt a NAND kapuk használata a NOR kapukkal szemben Egy n bemenetű CMOS kapuhoz 2n db tranzisztorra van szükség, (passzív terhelésű kapuknál csak n+1 kellett) 18/20

CMOS NAND kapu layoutja U fém p + p zseb out n + GND In1 In2 Poli Si 19/20

CMOS komplex kapuk Mint az NMOS komplex kapuk, de a terhelés PMOS tranzisztorokból az NMOS meghajtó hálózat duális hálózata. U F = A + BC A U out B C 20/20