Logikai alapkapcsolások Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához Belső használatra! BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikus Eszközök Tanszéke Mizsei János, Székely Vladimír 2004 április

Digitális alapáramkörök Főleg MOS megoldások Alapelem az inverter A legalapvetőbb logikai elem (fázisfordító erősítő, lényegében a tápfeszültségig kivezérelve). Alap kapuáramkörök Komplex kapuk valamennyi az inverterből származtatható (örökli az inverter alaptulajdonságait: logikai szintek, kapcsolási idők).

Bevezetés: mit kell “tudnia” egy kapuáramkörnek? UBE1 UBE2 UKI=f(UBE1,UBE2,UBE3) UBE3 Huzalozott “OR” kapu ! UBE1 UBE2 UKI=UBE1+UBE2+UBE3 UBE3 UBE UKI=UBE

Többszintű kapcsolás: kimenet-bemenet szétválasztása A megoldás: + egy erősítő (inverter) =DTL (Diode-Transistor-Logic) “NAND” kapu UBE1 UKI=UBE1UBE2 UBE2 Y=AB UBE1 Az elválasztás túl jól sikerült: nem tudja fogadni a következő fokozat áramát ! A UKI=UBE1UBE2 UBE2 B “AND” kapu

A bipoláris TTL NAND kapu multiemitteres tranzisztor +fázishasító, totem-pole kimenettel UCC= 5 V 5 UKI A Y=AB 0.7 V UBE B 0.7 V

A bipoláris TTL NAND kapu UCC= 5 V A Y=AB 0.7 V B 0.7 V

A bipoláris TTL NAND kapu UCC= 5 V A Y=AB UBE =UCES0~0 B UBE~0

Schottky TTL STTL Schottky TTL LSTTL Low power Schottky TTL FTTL Fast Schottky (oxid szigetelés) HCTTL a megszokott TTL típusszámok, de belül MOS áramkörökkel

Az inverter, alapfogalmak Transzfer karakterisztika: ideális és valós A kimeneti jel logikailag a bemeneti jel invertáltja

Az inverter, alapfogalmak Zavarvédettség A karakterisztika 3 szakaszból áll. A két szélső szakasz laposan fut, azaz a bemeneten lévő feszültségváltozások csak nagyon kis változást okoznak a kimeneten: erős nemlinearitás ! PÉLDA: 74HC00, Vdd=3V, ULM=0.9 UHm=2.1V

Az inverter, alapfogalmak Jel-regeneráló képesség: a középső szakasz meredekségétől (feszültségerősítés) függ Ube1 Ube2 Ube3 Uki Uki2 Uki1 Uki3 |derivált|<1, konvergencia |derivált|>1, divergencia, ez a jó ! Ube2 Ube1 Ube3

Az inverter, alapfogalmak Jel-regeneráló képesség UL=0V, UH=5V (SPICE szimuláció) U3-nak láthatóan a szintje is és a jelalakja is regenerálódott!

Az inverter, alapfogalmak Komparálási feszültség Az a határ, ami alatt 0 szintté és ami felett logikai 1 szintté regenerálja az inverterlánc a jelet. Az és a karakterisztika metszéspontja, (az egyenlet megoldása) UK

Az inverter, alapfogalmak tdL 90% 10% tdH tpd nehezen definiálható, ráadásul a fel és lefutáshoz tartozó késleltetés különböző lehet (jelalakfüggő). Lehetséges definíció pl. tpdHL=a bemenet 0-1 váltásánál az UHm szint elérésétől a kimenet ULH szint eléréséig, vagy a jelváltás 10%-90% értéke között.

Az inverter, alapfogalmak

Az inverter, alapfogalmak A párkésleltetés mérése: Ring oszcillátor páratlan számú inverter láncba kapcsolva, nincs stabil állapota, T periódusidővel oszcillál.

Az inverter, alapfogalmak Teljesítmény (P) - késleltetés () szorzat (P) Mindkét érték csökkentése a jobb minőségre utal, így a szorzat egy áramkörtípus minőségi mérőszámának tekinthető. Szemléletesen: az a minimális energia, ami 1 bit információ egy feldolgozási lépéséhez szükséges.

MOS inverter, konstrukciók A MOS inverter 2 tranzisztorból áll, terhelő (load) és meghajtó tranzisztor (driver) passzív terhelésű inverterek: csak az egyik tranzisztor vezérelt, a másik tranzisztort kétpólusként, nemlineáris ellenállásként használjuk. aktív terhelésű: mindkét tranzisztor vezérelt ? UDD UKI UBE

Trióda terhelésű és telítéses inverterek (múlt) UGG UDD UDD kicsi Aránytípusú inverterek VT UKI UKI UDS nagy UBE UDS UBE UGS UGS

MOS inverter kiürítéses terheléssel A load tranzisztor egy olyan nMOS tranzisztor, aminek a küszöbfeszültségét ionimplantációval 0V-nál kisebbre állították be, ezért Ugs=0V esetén is vezet. UDD UDS UKI UBE UDS UGS Passzív, ellenállásként használjuk... Intel 8080

MOS inverter kiürítéses terheléssel UBE=UGS UKI=UDS (driver) UDD UDD A transzfer karakterisztika szerkesztése : UKI VT UBE UDS 1 2 3 4 5 UGS =UBE Aránytípusú inverter 4 5 3 2 1 =UKI Z 80, PC: 286

Kiürítéses tipusú MOS inverter Az átkapcsolási tranziens: Az átkapcsolási idő arányos a terhelő kapacitással és fordítottan arányos az ezt töltő-kisütő árammal.A karakterisztikából látszik, hogy jó inverterek esetén (Y közel az origóhoz) a H-L átmenet gyorsabb, mint az L-H átmenet.

Kapuáramkörök kialakítása NOR kapu: az inverterhez képest a driver tranzisztorral párhuzamosan van kötve egy másik tranzisztor ha mindkét bemenet 0, akkor a két alsó tranzisztor lezár, a load tranzisztor a kimenetet logikai 1 szintre húzza fel Ha valamelyik bemenet 1, akkor az a tranzisztor kinyit, és a kimenet 0 lesz A tranzisztorok száma tetszőlegesen növelhető, de a túl sok meghajtó (driver) tranzisztor rontja a kapcsolási időket.

Kapuáramkörök kialakitása NAND kapu a tranzisztorok sorba kapcsolódnak, áram csak akkor folyik, ha valamennyi tranzisztor bekapcsolt állapotban van gyakorlatban max 3..4 bemenetű A tranzisztorok száma azert nem növelhető tetszőlegesen, mert a túl sok meghajtó (driver) tranzisztor rontja az erősítést (a W/L viszonyokat).

Kapuáramkörök kialakitása LAYOUT

Kapuáramkörök kialakítása KOMPLEX KAPUK A MOS áramkörök előnye, hogy bonyolultabb logikai függvények is kialakíthatók egyetlen kapu formájában (4+3+3)+4+2= 16 tranzisztor, 3 kapukésleltetés 7 tranzisztor, 1 kapukésleltetés A komplex kapu kevesebb alkatrészt tartalmaz és gyorsabb. A tervezés elve: a kimenet akkor és csak akkor 0, ha a kimenet és a föld között van áramút, ahol minden tranzisztor vezet. a megvalósított logikai függvény ezen utak vagy kapcsolata.

Kapuáramkörök kialakítása Milyen logikai függvényt valósít meg a komplex kapu? N bemeneti jel: N+1 tranzisztor 4 áramút van (huzalozott „OR”), a kimenetet a bemenettől a gate-oxid választja el.

CMOS kapuk UDD ++UDD P csatornás, növekményes “1” UKI UKI UBE UDS N csatornás, növekményes “0” UGS ID UKI Egymásbavezetés: UDD>VTn+(-VTp) VTp VTn UGS= UBE PC: 386-tól UDD

Potenciálok és munkapontok az átkapcsolás során UBE-UDD =UGSp =-5 UBE =UGSn =5 ID UKI UDS UBE ++UDD UGSp -4 4 -3 3 -2 UGSn 2 -1 1 UDS ++UDD

UDD -(-VTp) < UBE < VTn Egymásbavezetés: UDD>VTn+(-VTp) a kimenetre a feszültség adott, valamelyik tranzisztor (vagy mindkettő) nyitva van. UKI VTp VTn UGS= UBE UDD Egymásbavezetés megszűnik, ha: UDD<VTn+(-VTp), egyszerre csak az egyik tranzisztor vezethet, vagy egyik sem, ez a UKI nagy impedanciájú állapot: UDD -(-VTp) < UBE < VTn a kimeneten a feszültséget nem a kapu kényszeríti. UGS= UBE UDD VTn VTp

CMOS keresztmetszete

A p vezetéses tranzisztorokat kétszeres W/L értékkel valósították meg CMOS inverterek Be UDD A p vezetéses tranzisztorokat kétszeres W/L értékkel valósították meg Ki GND

A CMOS áramkör fogyasztása Töltéspumpálás Kiegyenlített kapcsolási idők ++UDD =3.3V UKI CL =0.01 pF UGS +UDD csökkentése: P négyzetesen csökken, határ: VT f UBE =109 P=10-14 x 11 x 109=110 mikrowatt

CMOS kapuáramkörök A B Ki Ki C A A A B B B Ki=A+B Ki=(A+B)C N bemeneti jel: 2N tranzisztor A p csat. B Ki Ki C A A A n csat. B B B Ki=A+B Ki=(A+B)C Ha az n vezetéses tranzisztorok hálózata vezet, akkor a p vezetéses tranzisztorok hálózata nem vezet. (logikai függvény) (logikai függvény duális hálózata) p vezetéses tranzisztorok: kétszeres W/L érték

CMOS változatok Pszeudo-nMOS: CMOS technológiával UBE =UGSn =5 ++UDD ID UKi UGSp =-5 4 UBE 3 N bemeneti jel: 2N helyett N+1 tranzisztor 2 1 UDS=UKi ++UDD

Transzfer kapuk UKi=UBE-VT UBE Jelterjedés: mindkét irányba, lezárt tranzisztor(ok): nagy impedanciájú állapot. Clock UKi =UBE UBE Clock

Multiplexer áramkör transzfer kapukkal D0 A0 D1 A1 UKi =D0… D3 adatbit, az A cím bitjeinek megfelelően A0 D2 A0 D3 A1 A0

Órajellel vezérelt CMOS N bemeneti jel: 2N+2 tranzisztor Clock Clock

Dinamikus inverter (NMOS) Nem aránytípusú, nagy lehet a töltőáram is ! Előtöltés, kisütés, előtöltés, kisütés ++UDD ++UDD f1 f1 f3 f2 f2 f4 f3 UBE UKi f4 t

Input pad: sztatikus töltések elleni védelemre MOS I/O áramkörök Input pad: sztatikus töltések elleni védelemre Pad Output pad: áram meghajtás a kimenetet terhelő kapacitások gyors feltöltésére Core

MOS I/O áramkörök Pad Input pad: védelem Védő diódák (elektrosztatikus feltöltõdés, a gate védendő) Védő diódák (optikai mikroszkópiás kép)

(pásztázó elektron-mikroszkópos kép) MOS I/O áramkörök Bemeneti védelem (pásztázó elektron-mikroszkópos kép) Védő diódák

Kimeneti áram-meghajtó (optikai mikroszkópiás kép) MOS I/O áramkörök ++UDD UKi UBE Bemenet Kimeneti áram-meghajtó két soros inverterrel Kimenet (optikai mikroszkópiás kép)

Kimeneti áram-meghajtó Elektron-mikroszkópos felvétel MOS I/O áramkörök Kimeneti áram-meghajtó két soros inverterrel Bemenet Kimenet ++UDD UKi UBE Elektron-mikroszkópos felvétel

NMOS vonalmeghajtó ++UDD VTn UKi Uki< UDD-VTn UBE

CMOS vonalmeghajtó, háromállapotú kimenettel ++UDD Valamelyik tranzisztor nyitva: 0-1 állapotok kényszerítve. Nagy impedanciájú állapot: mindkét tranzisztor lezárva. NOR Ki BE Enable=1, a kimenet lebeg.