11-1 11. E fejezetben a mikroszámítógépek integrált áramköri elemeinek villamos tulajdonságaival, technológiájával és logikai kapcsolásaival foglalkozunk. 11.1. Statikus és dinamikus villamos jellemzők 11.1.1. Logikai szintek z digitális áramkörökben a logikai "0" és "1" szinteket hordozó fizikai jellemző legtöbbször a feszültség. zokat a feszültségszinteket, melyekhez logikai értékeket rendelhetünk, logikai szinteknek nevezzük. z áramköri megvalósítás során a valóságban az elemek szórása, hőmérsékleti változások, terhelés, stb. miatt a feszültségszintek helyett feszültségtartományok tartoznak egy - egy logikai szinthez. Pozitív logikai hozzárendelés esetén az "1" szinthez tartozik a pozitívabb feszültségszint, a "0"-hoz a negatívabb, míg negatív logikánál fordítva. Áramköri leírásnál gyakran a 0 és 1 helyett szinonim módon H (High = magas) és L (Low = alacsony) jeleket rendelünk. z 11.1.ábrán ezek értelmezése látható. Összefüggés B Y L L L L H H H L H H H H Pozitív logika esetén B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 11.1. ábra Negatív logika esetén B Y 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 11.1.2. Zavarok, zavarvédettség, transzfer karakterisztika Elektronikus áramköröknél gyakori behatásként jelentkezhetnek zavarok, melyek a környezetből származhatnak (villámlás, erősáramú vezetékek, stb. okozta hatások). Ha a zavarjelek amplitúdója elég nagy, akkor az áramkörök kimenetének állapotát is befolyásolhatják, megváltoztathatják, s így hibás működés jöhet létre. z áramkör e zavarokkal szembeni védettségét zavarvédettségnek nevezzük. Megkülönböztetünk statikus és dinamikus zavarokat. Előbbiek egyenáramú vagy lassan változó jellegűek, míg utóbbiak lefolyási ideje ill. időparaméterei az áramkör időzítési paramétereinek nagyságrendjébe esnek. Ennek megfelelően definiálható a statikus és dinamikus zavarvédettség (zavarérzéketlenség) fogalma. Fontos fogalom a transzfer karakterisztika, mely a kimenő feszültség ábrázolása a bemenő feszültség függvényében (általában inverterre adják meg) E karakterisztika a kimenetet mutatja a bemenet függvényében. Így a logikai 1 és 0 szintjei közötti állapotokról is felvilágosítást ad. Egy tipikus transzfer karakterisztika látható a 11.2 ábrán. K az ún.
11-2 komparálási pont, u k a komparálási feszültség. u 0 és u 1 a 0 és 1 szintek tipikus feszültségét jelentik. Látható, hogy u z0 = u k - u 0 ill. u z1 = u 1 - u k az a zavarfeszültség, amely még éppen nem okoz téves kimenetet. Belátható, hogy minél nagyobb e két érték, annál nagyobb az áramkör zavarérzéketlensége (zavarvédettsége). u ki u 1 u ki =f(u be ) u ki =u be K u k u 0 u z u 0 u k u 1 u be u be =u 0 +u z 11.2. ábra 11.1.3. Meghajtóképesség (Fan-out) z integrált áramkörök általában egy összetettebb kapcsolás részelemei. z egyik elem kimenete a másik elem bemenetére kapcsolódik. Minden digitális áramkör bemenete bemeneti impedanciájával terhelést jelent az azt megelőző fokozat kimenetére nézve. zt, hogy egy adott kimenet - a specifikációk megtartása mellett - hány szabványos bemenetet (az adott logikára jellemző ún. egységterhelést = fan-in-t) tud meghajtani, fan-out-nak nevezzük. Ez más és más lehet logikai 0 és 1 szinten. fan-out fogalma fenti értelmezésben (dc fan-out) egyenáramú tulajdonságot jelent. Ugyanakkor előfordulhat, hogy egyenáramú terhelés vonatkozásában megfelelő a kapcsolás (vagyis a kimenet által meghajtott szabványos bemenetek száma az előírtat nem haladja meg), ugyanakkor a terhelés(ek) - párhuzamosan kapcsolódó, és így összeadódó - kapacitásai a megengedettnél nagyobb késleltetést jelentenek, az áramkör sebességét csökkenti(k). Ezért célszerű tehát dinamikus szempontból is definiálni ill. meghatározni az áramkör fan-out-ját, ez az ún. ac fan-out. Míg tehát a dc fan-out a villamos terhelhetőségről nyújt információt, addig az ac fan-out azt mondja meg, hogy az áramkör milyen kapacitív terhelést (hány kapacitív egységterhelést) visel el úgy, hogy specifikált dinamikus paraméterei (sebesség, jelkésleltetés) nem szenvednek csorbát.
11-3 11.1.4. Jelterjedési idő (propagation delay) z áramkörök véges működési sebessége miatt a bemeneti jel megváltozását csak véges idővel követi a kimeneti jel megváltozása. Sőt, általában a kimenet H! L és L! H változása sem ugyanannyi idő alatt zajlik le. Előbbit t phl -lel (vagy t pdo -lal), utóbbit t plh -val (vagy t pd1 - gyel) jelöljük. jelterjedési idő fogalmát a két idő számtani átlagával definiáljuk (ld. 11.3. ábra).: t pd = t + t pd0 pd1 2 u be 100% 50% 0% t t pd0 t pd1 u ki 100% 50% 0% t 11.3. ábra 11.1.5. Disszipáció z áramkörök működésükhöz a tápfeszültségből áramot vesznek fel, így rajtuk teljesítmény disszipálódik ( P d ). Nem egyforma az áramkörök adott állapotbeli (adott bemenetek és ennek megfelelően megállapodott kimenetek) és állapotváltáskori (bemenet állapotának
11-4 megváltozása miatt az áramkör állapota, kimenetének állapota megváltozik) disszipációja. Előbbi a statikus, míg utóbbi a dinamikus disszipáció. 11.1.6. Jósági tényező Általában technológiák ill. áramköri logikák (ld. később) használják. z adott technológia vagy áramköri logika jellemző és elemi egységének (pl. NND vagy OR kapu), kapuja disszipációjának és jelkésleltetési idejének szorzataként (P d " t pd ) definiáljuk a jósági tényezőt. Mivel mind a disszipáció mind a jelkésleltetési idő minél kisebb értéke a kedvező, így annál jobb a logika, technológia, minél kisebb a jósági tényező. E két villamos paraméter azonban általában egymástól függetlenül nem módosítható, az egyik javítása gyakran a másik rovására megy (erre példát a későbbiekben is látni fogunk), ezért értékük többnyire kompromisszum eredménye. 11.2. Digitális integrált áramkörök (gyártástechnológia) digitális technikai hálózatok integrált áramköri megvalósítása a 60-as évektől kezdődően vált lehetővé. z igazán használható első integrált áramkörök a még ma is közkedvelt TTL (Transistor-Transistor-Logic : tranzisztor-tranzisztor-logika) áramkörök első reprezentánsai. z integrált áramkörrendszerekben hosszú ideig csak az ún. bipoláris tranzisztorokat használtak, az utóbbi két évtizedben azonban előtérbe kerültek az ún. MOS tranzisztoros integrált áramkörök. z integrált áramköri gyártástechnológiák részleteire nem kivánunk itt kitérni, most csak a létező típusok vázlatos összefoglalására szorítkozunk. digitális integrált áramköröknél - és minél nagyobb az integráltság foka annál jellemzőbb ez - a sok egyforma kapcsolóelem (aktív elem, tranzisztor) megvalósíthatósága az elsődleges. passzív elemek nagypontosságú megvalósítása kevésbé fontos szempont. E szempontok alapján kell eldönteni, hogy az alábbi három technológia közül melyik alkalmazása jöhet szóba. 11.2.1. Szigetelő alapú integrált áramkörök szigetelő alapú integrált áramkörök kétféle típusa létezik: a vékonyréteg és a vastagréteg integrált áramkörök. vékonyréteg áramköröknél az alaplemez üveg vagy kerámia lemez. Erre a lemezre (hordozóra) vákuumgőzöléssel vagy ún. katódporlasztással viszik fel a vezető-, ellenállás- és szigetelő-réteget. technológiai nehézségek miatt a gyakorlatban félvezető elemeket nem hoznak létre ily módon, hanem forrasztással ültetik be azokat utólagosan. E technológia előnye a stabil és jó minőségű ellenállás megvalósítása. Ugyancsak előnye a viszonylagos alacsony előállítási költség. Ugyanakkor a félvezető elemek ilyen hibrid jellegű megvalósítása kényelmetlen és a miniatürizálás ellen hat. vastagréteg áramköröknél a jól vezető ellenállás és szigetelő rétegeket a kerámia hordozóra szitanyomással viszik fel. vékonyréteg áramkörökhöz hasonlóan itt is utólag ültetik be a félvezető elemeket. E technológia a vékonyréteg technológiával azonos előnyökkel
11-5 rendelkezik. Ugyancsak az előző technológiához hasonlóan itt is drágák a beültetett elemek és a miniatürizálás korlátokba ütközik. z elmondottak miatt a fenti két gyártástechnológia nem alkalmas digitális integrált áramkörök létrehozására. (Megjegyezzük, hogy a nyolcvanas évek közepétől ismét előtérbe került a szigetelő alapú gyártástechnológia, a felületszerelt technológia-technika (SMT) alkalmazza ismeretanyagát. következő alfejezetben a harmadik, a monolit integrált áramköri gyártástechnológia kerül bemutatásra 11.2.2. Monolit integrált áramköri technológia félvezető alapú monolit integrált áramköri gyártástechnológiáknál - ma még leggyakrabban - alaplemezként szilícium egykristályt alkalmaznak. Ezután egymást követő ún. diffúziós technológiai lépésekkel hozzák létre a tranzisztorokat, diódákat, ellenállásokat, stb. E nagyhőmérsékletű technológiai lépésekkel horizontális és vertikális struktúrákkal (geometriákkal) jönnek létre az elemek és az azokat összekötő "vezetékek. Kapacitások is létrehozhatók, záróirányba előfeszített p-n átmenetekkel, de ezek értékpontossága nehezen kézbentartható, és az elérhető kapacitás-értékek kicsik. monolit integrált áramkörökben nagyszámú tranzisztor, dióda hozható létre kis felületen (térfogatban) és fajlagosan olcsón. Igen pontosan ismételhetők (reprodukálhatók) az áramkörök és paramétereik, mivel minden alkatelemet egyszerre, ugyanazon technológiai lépés-sorozattal állítunk elő. z ellenállások kevésbé jól realizálhatók, mint a szigetelő alapú integrált áramköri technológiákban. Parazita áramköri elemek jelennek meg : ezek elsősorban az egyes alkatelemek szigetelését megvalósító p-n átmenetek parazita kapacitásai. technológia megvalósítása (elindítása) igen költséges, az elemgyártás csak nagy sorozat esetén hozza meg a fejlesztési költségeket. Ugyanakkor a logikai kapcsolások megvalósítása - mint említettük - nagyszámú kapcsoló elemet (tranzisztort) is igényelhet. tranzisztoroknak nagy pontossággal egyformáknak kell lenniük, e tényezők együtt csak monolit technológiánál rendelkezésre állnak. Kiindulási alapul (hordozó) Si egykristály szolgál z alapkristályt magas hőmérsékleten adalékolják ( szennyezik ). szükséges geometria kialakításához segédeszközként litográfiai módszereket és maratást használnak. z elemi lépések a következők: optikai úton maszk készítése, oxidréteg felvitele, fotoreziszt felvitele, megvilágítás+maratás, diffúzió (pl. bór, foszfor). z 11.4. ábrán egy npn bipoláris tranzisztor kialakítása látható, míg a 11.5. ábrán egy n csatornás MOS tranzisztoré. Ezen elemek más tárgy keretén belül kerülnek részletesen ismertetésre. Így ismertnek tételezzük fel, hogy míg előbbi működési elve a p-n átmenet, addig utóbbié a térvezérlés elve (MOS-FET : Metal-Oxide- Semiconductor- Field - Effect - Transistor = fémoxid félvezető térvezérlésű Tranzisztor). z ábrákon az adott elem jelképi jelölése is látható. Röviden - részletezés nélkül a két technológia összehasonlítása:
11-6 MOS: nagyobb elemsűrűség (nem kell elemek elszigetelésére helyet biztosítani, MOS: kevesebb technológiai lépés (a nagyhőmérsékletű fázisokat nehéz kézben tartani), MOS: nagyobb tisztasági igény a technológia felé. SiO 2 E B C n + p p + n p+ eltem etettréteg p típusú hordozó npn bipoláris tranzisztor 11.4. ábra D G S SiO 2 n + n + n típusú vezetõ csatorna p típusú Sihordozó G D S n típusú növekményes 11.5. ábra 11.3. Integrált logikai áramkörrendszerek logikai összefüggések konkrét áramköri megvalósításával különböző logikák jöttek létre. Kezdetben főként a bipoláris logikák voltak jelen, de a technológiák fejlődésével előtérbe kerültek a MOS elemek is.
11-7 11.3.1. Bipoláris logikák. TTL áramköri elemcsaládok TTL elemek 1965-ben jelentek meg és hosszú ideig egyeduralkodók voltak a digitális technika területén. Ma is több továbbfejlesztett változata (pl. LS TTL) elterjedt katalógusáramköri elem. következőkben kissé részletesebben mutatjuk be a TTL alapáramkör működési elvét. z alapelem működését úgy érthetjük meg legkönnyebben, ha az ismert egyszerűsített tranzisztor-modell szerint a tranzisztor BE és BC átmenetét diódával helyettesítjük (11.6.a. és b. ábra). D 1, D 2 és R 1 ismert módon logikai ÉS funkciót valósítanak meg, T 2 és R 2 pedig - ugyancsak ismert módon - inverterként funkcionál. DS dióda a T 2 tranzisztor BE R 1 R 2 D 1 Y="B B DS T 2 D 2 11.6.a. ábra diódájának nyitófeszültségét tolja el, kétszerezi meg. két szakasz így együtt NND kapu szerepét látja el. z 11.6.b. ábrán a diódák helyett a tényleges tranzisztorokat tüntettük fel. T 1 tranzisztor több-emitteres, vagyis így alakítható ki több bemenet. több-emitteres tranzisztor bipoláris technológiában könnyen megvalósítható. Ha a 11.4. ábrát tekintjük, mindössze a p réteget szélesebbé kell nyújtanunk, és abba több n + zsebet kell kialakítani kivezetéssel együtt. R 1 R 2 Y B T 1 T 2 11.6.b. ábra
11-8 gyakorlatban használt teljes NND kapu a 11.7. ábrán látható. Felismerhetők az 11.6. ábrán megismert NND kapu elemei: T 1, R 1,T 2 és R 1 (R 3 -mal kiegészítve), míg T 3, D, T 4 és R 4 pedig egy ellenütemű erősítős kimeneteti fokozatot alkot. 4 kω R 1 1,6 kω R 2 130 Ω R 4 T 4 T 2 B T 1 D T 3 Y 1 kω R 3 11.7. ábra működés kimerítőbb tárgyalásától eltekintünk, de a 11.8. ábrán - részletes magyarázat nélkül - bemutatjuk a transzfer karakterisztikát és annak a bemeneti jel (pl. ) feszültségszintjétől függő négy szakaszát - a másik bemenetet 1 szintűnek tételeztük fel. 5 U ki [V] 4 3 I.(T 1,T 4 vezet,t 2,T 3 lezárt) II.(T 1,T 2,T 4 vezet,t 3 lezárt) III.(T 1,T 2,T 3,T 4 vezet) 2 1 IV.(T 1,T 2,T 3 vezet,t 4 lezárt) 0 0 1 2 3 4 5 11.8. ábra U be [V] z Texas Instruments cég SN74.. sorozatának (normál TTL) rendszerében a szintek a következőképpen specifikáltak, garantáltak (11.9.a. ábra):
11-9 logikai 0 szint (L) logikai 1 szint (H) bemenet 0-0,8 V 2,0-5 V kimenet 0-0,4 V 2,4-5 V 11.9.a. ábra z SN 74.. sorozat elemei szabvány terhelhetősége ill. terhelése (11.9.b. ábra): logikai 0 szint (L) logikai 1 szint (H) bemenet -1,6 m 40 µ kimenet 16 m 400 µ 11.9.b. ábra Eszerint a kimenet szabványos terhelhetősége (fan-out) ezen áramkörcsaládon belül mind logikai 1 szinten (400µ /40µ= 10), mind logikai 0 szinten (16m / 1,6m = 10) N = 10. z áramkörcsaládra jellemző jelterjedési idő: t pd0 = 7..8 ns t pd1 =11..13 ns, így az átlagos jelterjedési idő: t pd = 10 ns. jelterjedési idő a terhelő kapacitás növekedésével természetesen növekszik. TTL áramköröknél a szabadonhagyott bemeneteket értelemszerűen H szintként érzékeli az áramkör, és ez a parazita kapacitás miatt ilyenkor csekély mértékben csökkentheti az átkapcsolási sebességet. Legcélszerűbb a fel nem használt bemeneteket logikai 1 szintre kötni: például ellenálláson keresztül a tápfeszültségre (+5V-ra). z SN74.. kapuáramkörök tápáram-felvétele statikus esetben (nyugalomban) a kimenet 1 állapotában 3 m, 0 állapotában 1 m, vagyis az átlagos disszipáció 10 mw. jósági tényező így 100 pj. Átkapcsolás közben jelentős tápáram-tranziens léphet fel (0!1 ill. 1!0 váltásnál). Egy továbbfejlesztett TTL sorozatnál a kapuáramkörök fogyasztásának csökkentése érdekében az áramkörökben szereplő ellenállásértékeket nagyobbra választották (adott tápfeszültség, nagyobb ellenállás!kisebb áram = kisebb disszipáció). Ez a sorozat a 74L.. (L: Low-power). Így a kapunkénti disszipáció 1 mw-ra csökken, ugyanakkor a jelterjedési idő 30 ns-re nőtt (jósági tényező: 30 pj). sebesség növelésének egyik útja az, hogy nagyobb áramokkal dolgozunk, így a terhelő kapacitások feltöltése ill. a telítésbe vitt tranzisztorok onnan való kihozatala gyorsabban történik. z áramok növelése az alkalmazott ellenállások csökkentése útján valósítható meg. z így létrehozott 74H.. sorozat elemi kapujának jelterjedési ideje 6 ns-ra csökkent, ugyanakkor azonban a disszipáció 22,5 mw-ra nőtt. sebességnövelés másik útja közönséges bipoláris tranzisztor helyett telítésgátolt bipoláris tranzisztor alkalmazása. z ilyen megoldású ún. Schottky-tranzisztoros (74S..) sorozatnál az
11-10 elemi kapu átlagos jelterjedési ideje 5 ns-ra csökken, a kapunkénti fogyasztás ugyanakkor 19 mw. Low-power (kis-fogyasztású) Schottky 74LS.. sorozat az 74L.. és 74S.. sorozat előnyeit kívánja egyesíteni, így a 74..-hez képest kisebb fogyasztás, de a 74L..-hoz képest nagyobb sebesség hozható létre. E család 9,5 ns-os jelterjedést és 2 mw-os kapunkénti fogyasztást eredményezett. z igen gyors 74F.. (F: Fast) sorozat 1980-ban jelent meg, de magas költsége miatt nem terjedt el. Jelterjedési ideje 2,5-3 ns, kapunkénti disszipációja 4 mw. továbbfejlesztett Schottky (dvanced Schottky, 74S..) és kisfogyasztású (dvanced Lowpower Schottky, 74LS..) elterjedtebbek. Előbbit 1,7 ns és 8 mw, utóbbit pedig 4 ns és 1,2 mw jellemzi. z egyes sorozatok jelszint és fan-out vonatkozásban nem teljesen kompatibilisek egymással. jelszintek definiálásában kicsi az eltérés, a fan-out fogalma pedigaz egyes áramkörcsaládokon belül értelmezett. Így pl. az LS TTL-nél megadott 20-as érték standard TTL terhelések esetén csak 5-ös fan-out-ot jelent. Ennek megfelelően különböző típusok összekapcsolása esetén megfontolt tervezésre van szükség. Ha sok tranzisztor és így sok kapu kap helyet egy adott térfogatban ez már jelentős hőtermelést okoz. Ezért szükségszerű a fajlagos (kapunkénti) disszipációt a lehető legkisebbre szorítani. bipoláris technológiai logikák kivétel nélkül ilyen gondokkal kűzdenek. Tételezzünk fel csak egy VLSI áramkört, amely - mai viszonyok között sem túl nagy számot jelentő - 100 ezer 1millió tranzisztort tartalmaz. Ez még az utoljára említett LS sorozat technológiáját is használva 100 vagy 1000 W nagyságrendű disszipációt jelentene. Ekkora disszipáció egy integrált chipben nem valósítható meg. Ezért a bipoláris áramkörök elsősorban az SSI - LSI kategóriákban játszanak nagy szerepet. Ez a témakörünk szempontjából azt jelenti, hogy mikroszámítógépeknél főleg kiegészítő, illesztő, meghajtó, stb. funkciókat látnak el a nagyobb bonyolultságú MOS integrált áramkörök mellett. TTL áramkörök esetén még egy fontos kérdésről kell szólni, ez a kimenetek típusai. leginkább használatos kimeneti típus a már megismert ellenütemű, ún. totem-pole kimenet. Emellett létezik és fontos szerepet kap a nyitott kollektoros kimenet is. Ennek megértéséhez tekintsük a 11.10.ábrát. kimeneti tranzisztor szabadon hagyott kollektora módot ad arra, hogy több közösített ilyen kimenet összeköttetésével ún. huzalozott ÉS kapcsolatot alakítsunk ki. Ezáltal nem kell külön ÉS kaput használni a fokozat után. harmadik fontos kimenet az ún tri-state kimenet. tri-state háromállapotú kimenetet jelent, vagyis a megszokott H és L mellett egy harmadik, ún. nagyimpedanciás állapot is kialakítható. Ha az alap-inverternél lehetővé tennénk, hogy a kimeneti tranzisztorokat ne csak ellenütemben, hanem egymástól függetlenül is vezérelhessük, úgy létrehozható olyan kimeneti állapot, melynél mindkét kimeneti tranzisztor ki van kapcsolva. Ekkor a kimenet mintegy lekapcsolódnak a következő fokozat bemenetéről. Vagyis ilyenkor nagyimpedanciás kapcsolat jön létre az elem és a környezete között. Ez olyan kapcsolástechnikában igen kedvező, ahol több kimenetet kell egy vonalra kötni, de természeten egyidőben csak egy aktív (pl. számítógépek adat-, cím- és vezérlővezetékei: buszok).
11-11 R 1 R 2 R t B T 1 T 2 R 3 T 3 Y R 1 R 2 D C T 1 T 2 R 3 T 3 11.10. ábra Texas Instruments cég SN sorozatú digitális integrált áramkörei több hőmérséklettartományú kivitelben készülnek: SN74... sorozat (normál, kommersz, ipari kivitel) 0 - +70 o C SN54... sorozat (kiterjesztett ipari kivitel) -25 o C - + 85 o C SN84... sorozat (katonai kivitel) -55 o C - + 125 o C z SN-t követő 2 szám után 2 vagy 3 számjegy következik, amely a funkciónak megfelelő típust jelöli (pl. 4 db 2 bemenetű ÉS kapu normál ipari kivitelben: SN7400, 2 db újraindítható monostabil elem katonai kivitelben: SN84123, stb.). mennyiben valamelyik tovbbfejlesztett elemcsaládról van szó, úgy az SN és az azt követő 2 számjegy után valamint a típust jelölő 2 vagy 3 számjegy elé kerül az áramkörcsalád jele (pl. LS: SN74LS00, stb.). B. Egyéb bipoláris logikák z egyéb bipoláris logikák közül az ECL logikát érdemes megemlíteni. z ECL (Emitter Coupled Logic: emitter csatolt logika) a TTL logikákhoz képest abban a fontos tényben tér el, hogy itt a tranzisztorok nincsenek telítésbe vezérelve : vagy lineáris tartományban működnek vagy ki vannak kapcsolva. Ebből adódóan gyors működésűek, ugyanakkor a fogyasztásuk igen nagy - vagyis kevéssé integrálhatók. logikai 1 és 0 szint kis távolsága miatt zavarvédettségük kicsi. zokban az alkalmazásokban ahol létfontosságú volt az igen nagy sebesség (és csak másodlagos a nagyobb térfogat és nagyobb disszipáció), pl. a korábbi számítógépek sok esetében, ott ECL áramköröket alkalmaztak.
11-12 Ezen alkalmazások ma már eléggé háttérbe szorultak a jobban integrálható technológiák (MOS) és a számítógép-architektúrák gyors fejlődése (többprocesszoros rendszerek, pipeline architektúrák, Harvard struktúra, stb.) miatt. 11.3.2. MOS áramköri logikák. n-mos és p-mos áramkörök MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor : fémoxid félvezető térvezérlésű tranzisztor) működésének tárgyalása nem ezen anyag témája, annak ismeretét feltételezzük. z n-csatornás MOS tranzisztort a 11.4. ábra mutatta be. z n-csatornás MOS tranzisztoroknál az elektronok, a p-csatornásoknál a lyukak az aktív töltéshordozók, ezért ezen elemek között 3:1 a mozgékonyság-arány, így az n-csatornás típus lényegesen gyorsabb integrált áramkört eredményez. digitális integrált áramköri MOS logikáknál a kezdeti p-csatornás chipeket teljes mértékben kiszorították az n- csatornás chipek (most még nem beszéltünk a CMOS elemekről, ahol mindkét típus együtt kap helyet). MOS áramkörök bemenő ellenállása igen nagy (gyakorlatilag végtelen nagy), mivel a bemenetet (Gate) szigetelő réteg választja el a további részektől. MOS elemek sebessége általában kisebb mint a bipoláris elemeké. Ennek elsősorban az az oka, hogy nagyobb impedanciákkal és (így) kisebb áramokkal dolgoznak mint a bipoláris eszközök. szórt és terhelő kapacitások nagyobb értékűek és átkapcsoláskor a kis áramok csak lassabban tudják e kapacitásokat kisütni ill. feltölteni, ezért kisebb működési sebességet tesznek lehetővé. nagy bemeneti impedancia elhanyagolható bemenő áramot is jelent (pl. n nagyságrend), így a dc fan-out fogalma egyenáramú szempontból a gyakorlatban nem értelmezhető: vagyis a terhelhetőség egyenáramú szempontból nem korlátozott. Ugyanakkor az említett kapacitív okok miatt sok terhelő bemenet jelentős sebességcsökkenést eredményezhet, vagyis az ac fan-out a meghatározó. Kezdetben a MOS elemek 3 tápfeszültségről működtek (+5V, -5V, +12V: pl. i8080 mikroprocesszor is:), ami igen kényelmetlen volt. Emellett ez kimeneti kompatibilitási problémákat is felvetett (jelszint és terhelhetőség) az egyéb unipoláris tápfeszültségű (pl. TTL) áramkörökhöz kapcsolódásnál. későbbi n-mos elemeknél ez már csak terhelhetőségi kérdéssé redukálódott, az pedig a kivezetési pontok helyes tervezésével egyszerűen orvosolható. MOS tranzisztoroknál az alapelemet képező inverterben a vezérlő (meghajtó=driver) tranzisztor és terhelés egyaránt aktív elem, tranzisztor. terhelő tranzisztor és a tápfeszültségek használati módjától függően 3 inverter-típus létezik: telítéses, trióda típusú és kiürítéses terhelésű inverter (ld. 11.11.a., b. és c. ábra). Telítéses és trióda típusú inverter (az elnevezések azt mutatják, hogy a meghajtó tranzisztor mely tartományban üzemel) esetén a két tranzisztor azonos vezetési típusú, a terhelés vezérlő elektródáját a D elektródára ill. a tápfeszültségnél nagyobb potenciálú pontra kötjük. Hátrányuk a kis terhelhetőség, aszimmetrikus le- és felfutási késleltetési idők, kis sebesség, és a tápfeszültségtől jelentősen eltérő 0 és 1 jelszintek. Előnyük az egyszerű technológia. kiürítéses terhelésű inverternél a terhelő tranzisztor a növekményes vezérlő tranzisztorral szemben kiürítéses típusú. megoldás hátránya mindössze a bonyolultabb technológia (és így fajlagosan drágább eszköz), előnye viszont az, hogy egy tápfeszültségről üzemel, a kimeneti 1 szint megegyezik a tápfeszültséggel, közel azonosak a fel és lefutási késleltetések és gyors a működés.
11-13 + n típusú növekm ényes n típusú növekm ényes n típusú kiürítéses Y = n típusú növekm ényes Y = n típusú növekm ényes Y = n típusú növekm ényes a. b c. 11.11. ábra Egy n-mos elemekből megvalósított NND és egy NOR kapu a 11.12. a. ill. b. ábrán látható. Működésük megértése egyszerű. Y= + B + C B C 11.12.a. ábra Y = * B * C B C 11.12.b. ábra
11-14 MOS kapcsolástechnika fontos előnye a tri-state elemek kényelmes kialakítási lehetősége. Ezt a 11.13. ábra alapján könnyen mi is beláthatjuk. * E 11.13. ábra kimeneti két tranzisztort nem ellenütemben, hanem külön-külön vezéreljük, s így mindkettő kikapcsolásakor (E=1) a kimenet a következő fokozatokról le van választva (nagy impedancia jelenik meg - a kikapcsolt MOS tranzisztorok miatt - a kimeneti pont és bármelyik tápfeszültség között). E=0 esetén pedig * =. B. Komplementer MOS (CMOS) áramköri logikák p- és n-típusú MOS áramköröknél a terhelő tranzisztor vezéreletlen elemként funkcionált. Ha a két tranzisztor közül mindig csak egy lenne bekapcsolva, akkor statikus esetben nem folyik áram a tápfeszültség és a 0V között. Ez pl. úgy oldható meg, hogyha mindkét elemet vezéreltté tesszük. Így kapjuk a CMOS logikát, ahol a két tranzisztor ellentétes típusú: az alsó n-, a felső p típusú (11.14., 11.15. ábrák). +u T D G S SiO 2 D G S p + n típusú Si-hordozó p + n + n + p típusú zseb p MOS 11.14 ábra n MOS közösített vezérlőjel éppen megfelelően működteti a kapcsolást, hiszen amely logikai jelszint az alsó n-típusú tranzisztort éppen bekapcsolja (1 szint), az a felső,
11-15 p-típusút kikapcsolja és fordítva. Statikus esetben tehát nincs áramvezetés. (Átkapcsoláskor ugyanakkor egymásbavezetés van, vagyis a két tranzisztor átmenetileg egyszerre lesz nyitva, ami kvázi rövidzárat jelent a 0 V és a tápfeszültség között. CMOS áramkör disszipációja tehát attól fog függeni, hogy az elemeket milyen gyakran kapcsoljuk át, így a dinamikus disszipáció a meghatározó). p típusú Y = n típusú 11.15. ábra működéshez ugyanakkor csak egy tápfeszültség szükséges. CMOS logika igen nagy előnye még a nagy zavarérzéketlenség. komparálási szint ugyanis kb. a tápfeszültség felénél van, a logikai 0 és 1 szintek pedig jó közelítéssel a 0 V ill. tápfeszültség. ( TTL és CMOS áramkörök transzfer karakterisztikáját a 11.16. ábra hasonlítja össze). 5 u ki [V] ideális karakterisztika 4 3 2 TTL valóságos CM OS (bufferelés nélkül) 1 u be [V] 1 2 3 4 5 11.16. ábra z ideális karakterisztikát jól közelíti a bufferelt CMOS áramkör. Ez esetben a kimenettel kapcsolódó kapukat nagyobb meghajtóképességűre tervezik.
11-16 tápfeszültség emellett széles határok között választható: pl. 3V - 15V. Ráadásul az áramkör rendelkezik a MOS logikák általános kedvező tulajdonságával, hogy a bemeneti impedancia igen nagy (többszáz Mohm), így a fan-out-ot csak a kapacitív megfontolások korlátozzák (40-50-es érték még reális lehet). Megjegyzendő azonban, hogy a TTL áramkörökhöz képest a CMOS elemek is lassúbbak. CMOS logika két alapkapuja a 11.17. ábrán látható. Érdekes megfigyelni azt az - egyébként logikus tulajdonságot, hogy a vezérlő tranzisztorok éppen ellentétes módon vannak bekötve, mint a terhelő tranzisztorok (soros - párhuzamos). B Y=*B Y=+B B NND kapu 11.17. ábra NOR kapu MOS logikához képest a CMOS logikában ugyanaz a funkció több tranzisztorból (gyakorlatilag csaknem kétszer annyiból) valósítható meg, integrálhatósága kisebb. Ugyanakkor a felsorolt számos előny e hátrányt jelentősen háttérbe szorítja, így a nyolcvanas évek közepétől a CMOS technika került előtérbe. Ez különösen igaz a nagyintegráltságú LSI, VLSI, ULSI sűrűségű chipeknél. korábban ismertetett TTL áramkörcsaládhoz hasonlóan a CMOS elemekre is kialakult áramkörcsalád, ilyen pl. Philips gyártotta HEF40.., 45.. vagy RC vagy Motorola gyártotta CD4... ill. MC1..., 74C.., stb. sorozatok. Ezek a családok a TTL áramkörökhöz hasonlóan főként SSI és MSI funkciók megvalósítására törekedtek. 11.4. Katalógus és felhasználás-specifikus áramkörök z eddigiekben több áramköri logikával ismerkedhettünk meg. TTL integrált áramkörök (11.3.1. alfejezet) egyértelműen a katalógus áramkörök közé sorolhatók. Ez azt jelenti, hogy az egyes áramkör-típusok megjelennek az adott katalógusban, választhatunk köztük és megrendelhetjük a készterméket a gyártó (vagy másodgyártó) cégtől, jelen esetben a TEXS INSTRUMENTS-től. Ezeket az áramköröket akkor érdemes gyártani, ha viszonylag olcsón sokat (ez százezres, de inkább milliós nagyságrendű küszöbszámot jelent) el lehet adni belőlük. Ehhez elsősorban univerzális és így többnyire viszonylag egyszerű funkciókat ellátó
11-17 áramkörök jöhetnek csak szóba. Így nem véletlen, hogy a katalógus-áramkörök csaknem kizárólag SSI és MSI elemekre korlátozódnak. Nem kizárt természetesen, hogy akadnak olyan funkciók, amelyek nagyobb integráltságot igényelnek, és elég sok helyen használhatók ( pl. bizonyos számlálók ), a jellemző azonban nem ez. technológiák azonban fejlődésük során elértek egy olyan szintre, ahol nagy és igen nagy bonyolultságú elemek is viszonylag könnyen és jó kihozatallal állíthatók elő (LSI, VLSI, ULSI). Ha katalógus-áramkört kívánunk ilyen bonyolultságú elemből készíteni, úgy az ezt kihasználó alkalmazást is meg kellett találni. Természetesen maguktól adódtak olyan fel használások, amelyek vártak már erre a technológiai lépcsőre: pl. számítógép hardver (mikroprocesszorok, perifériacsatoló, -illesztő intelligens integrált áramkörök). Ugyanakkor - mint említettük - az esetek nagy részében nem ez a jellemző. z igény arra, hogy a felhasználó (mármint általában elektronikus eszközöket tervező-gyártó cég) maga definiálja lehetőleg optimális felépítésű áramkörét már csaknem kezdettől fogva megvolt. Ugyanakkor a technikai problémák mellett gazdasági tényezők is hátráltatták azt, hogy a felhasználók konkrétabb beleszólást kapjanak adott áramköri tervük fizikai megvalósításába. z egyetlen lehetőség volt katalógus-áramkörökből felépíteni és megvalósítani az összetettebb funkciót. Természetesen az is közrejátszott, hogy a félvezetőgyártók sem rendelkeztek olyan kapacitásokkal, hogy a katalógus-áramkörök mellett egyedi igényeket is ki tudtak volna - gazdaságosan - elégíteni. nyolcvanas évek elejétől-közepétől jött el az az időszak, amikor minden tényező (műszaki és gazdasági) megérett arra, hogy a felhasználók közelebb kerülhessenek a gyártókhoz. Így esetenként LSI vagy VLSI kategóriájú terveiket (melyek funkcióinak megvalósítása addig általában egy egész nyomtatott áramköri kártyát vagy több ilyent töltöttek volna meg) egy vagy néhány áramkörrel (IC-vel) részben vagy teljesen optimalizálva vitelezhették ki késztermékeikbe (műszerek és egyéb elektronikai készülékek, berendezések). z ilyen áramköröket felhasználás specifikus áramkörnek (pplication Specific IC, SIC ill. custom design) nevezzük (11.18. ábra). sorozatszám többnyire nem éri el az említett 10 5-10 6 nagyságrendet.. Egyedi áramkörök Ha a sorozatszám mégis eléri a fenti küszöböt, úgy természetesen érdemes megrendelni a félvezetőgyártótól az adott integrált áramkör gyártását adott példányban. z elkészült példány egy darabra vetített költsége nem lesz magas, hiszen a darabszám a katalógus-áramkörök darabszámával vetekszik, utóbbi gyártása pedig gazdaságos. Ekkor az áramkört a definiálási fázistól kezdve ugyanúgy minden lépést a funkciókhoz optimálisan választva tudják legyártani az egyedi igények szerint. Ez a legköltségesebb és leghosszabb időt igénybevevő módszer, de a késztermék paramétereit tekintve a legjobb. Mivel teljesen a felhasználó definiálhatja az áramkör és a megvalósítás minden részletét, így ezt teljesen egyedi áramkörnek (full custom) nevezzük. B. Előgyártott áramkörök Ha azonban a darabszám egy vagy két nagyságrenddel a küszöb alatt van (ezres, tízezres darabszám), úgy szóba sem jöhet a full custom megoldás. E kategóriában - és igazából ez volt a nagy lépés, hiszen igen nagy darabszám esetén a gyártóknak addig is megérte full custom IC-t gyártani - a félvezetőgyártók részben egyedi termékkel (semi custom) siettek a felhasználók segítségükre. Ezek egyik csoportjánál (előgyártott) ez azt jelenti, hogy a chipen - valamilyen (pl. MOS) gyártástechnológiával és logikában (pl. CMOS) - előre elkészítenek elemeket (pl. tranzisztorokat). felhasználó áramköri tervének megfelelően ezután csak tranzisztorokat kell megfelelően összekötni. z összekötés a gyakorlatban az IC-gyártási technológiában a fémezési eljárást jelenti: meg kell tervezni majd ki is kell vitelezni az
11-18 összeköttetést és végül le kell zárni (be kell tokozni) az IC-t. z alapelemként tranzisztorokat tartalmazó előgyártott IC-t device array-nek nevezzük. Természetesen készítenek olyan félkész chipet is, ahol összetettebb elemek képezik az alapelemet (pl. kapuk az alapelemek - gate array, uncommitted logic array=ul -, vagy cellákat tartalmaz a chip, melyekben kapuk, flip-flopok, stb. is megtalálhatók - cell array).e megoldás - mint minden öszvérmegoldás (hiszen e megoldás kompromisszum eredménye) előnyökkel és hátrányokkal is rendelkezik a full custom megoldáshoz képest. Számos más előny (lásd később) mellett egy hallatlanul nagy előnye azonban a megoldásnak, hogy a felhasználói igényekhez jóval közelebbi kivitelt eredményez, mint a merev katalógus-áramkörökkel történő megoldás. Így alakult ki végül is a katalógus áramkörök mellett újfajta elemek kínálata, melyek vagy teljesen a felhasználó igényeire optimalizáltak, egyediek (full custom) vagy közelítik azokat, részben egyediek (semi custom). C. Előtervezett áramkörök teljesen egyedi és az előgyártott (custom produced) semi custom áramkörök között helyezkedik el az ún. előretervezett (előtervezett, cellakönyvtáras, standard cell, library custom) semi custom áramkör-típus. Ez azt jelenti, hogy a szokásos (standard) áramköri részfunkciók optimális előre megtervezésre kerültek és egy könyvtárban ezen elemek a tervezéshez rendelkezésre állnak. feladat ezután csak az, hogy ezen modulokból össze kell rakni a kívánt funkciót megvalósító áramkört (tervezés), majd le kell gyártani azt. Mivel itt nem áll rendelkezésre egy félkész termék, így a megoldás valamivel hosszabb időt vesz igénybe, mint az előgyártott megvalósítás. Ugyanakkor jobban közelíti az optimális megoldást. Természetesen a full customénál gyorsabban nyerhetünk kész áramkört, de csak közelíteni fogja a megoldás optimumát az ily módon kapott chip. digitális áramköri kategóriákat a 11.18. ábra mutatja be, míg összehasonlításukat a 11.1. táblázat végzi el. Egyedi (full custom) Előtervezett (library custom) Előgyártott (custom produced) PROM +kiegészítő elemek Katalógus ák. + NYÁK Ár kedvező 10 4-10 5 felett 10 4-10 5 felett 10 3-10 5 felett mindig 10 3 alatt Átfutási idő 6 hónap 3 hónap 3 hónap azonnal 1 hét- 3 hónap Tervezés drága, lassú olcsó, gyors olcsó, gyors nincs olcsó, gyors Kivitel (1 db) drága drága közepes olcsó olcsó (?) Bonyolultság igen nagy nagy nagy kicsi? Másolhatóság nehéz nehéz könnyű könnyű könnyű 11.1. táblázat
11-19 FŐ KTEGÓRIÁK KTEGÓRIÁK LKTEGÓRIÁK GYÁRTÁSI JELLEMZŐK KTEGÓRI ELEMEK Standard funkciójú IC-k (General Purpose Logic = GPL) Bipoláris MOS (nmos, CMOS) Vegyes (pl. BiCMOS) Katalógusáramkörök Szoftver-programozható eszközök (Sotfware Programmable Logic - SPL) (pl. mikroprocesszor) Digitális integrált áramkörök Hardverben programozható eszközök (Hardware Programmable Logic - HPL, PLD-k, stb.) PL-k FPL-k PL-k FPL-k, stb. Eszköz mátrix (Device-array) Felhasználásspecifikus integrált áramkörök Részben egyedi (Semi custom) Előgyártott (előregyártott) Egységes előgyártás (Custom preproduced) kapu-mátrix (Gate-array) Cella-mátrix (Cell-matrix) Teljesen egyedi (Full Custom) Előtervezett Custom Design Circuits Standard cell (Cellakönyvtáras, library custom) 11.1. táblázat Egyedileg tervezett és gyártott Teljesen egyedi (Full Custom)