Az integrált áramkörökben (IC-kben) használatos alapáramkörök.

Az előadások a következő témára: "Az integrált áramkörökben (IC-kben) használatos alapáramkörök."— Előadás másolata:

1 Az integrált áramkörökben (IC-kben) használatos alapáramkörök

2 Digitális alapáramkörök MOS tranzisztorokkal megvalósított áramköröket tárgyalunk –Ez ma a leggyakoribb –Ezen belül is leggyakrabban a CMOS áramköri technológiát használják –A CMOS egy olyan áramköri technológia, amelyben egyenlő számú NMOS és PMOS tranzisztort alkalmaznak NMOS = elektronvezetéses MOS PMOS = lyukvezetéses MOS –Tehát a CMOS nem egy tranzisztorfajta, hanem egy áramköri technológia Alapelem az inverter A legalapvetőbb logikai elem, az összes többi elem ebből származtatható NOR, NAND, komplex kapuáramkörök Félvezető tárak (memóriák)

3 A CMOS áramköri technológia Complementary MOS,  n és p típusú növekményes tranzisztorok manapság egyeduralkodó logikai áramkörökben Elõnyei:  a logikai szintek „tiszták”, U H =U DD, U L =0V  a statikus áramfelvétel =0  gyors működés  tápfeszültség érzéketlen

4 A CMOS inverter Egy n és egy p típusú növekményes tranzisztorból áll A 2 tranzisztort egyszerre vezéreljük Állandósult állapotban a két tranzisztor közül mindig csak az egyik vezet, a másik lezárt p n U be U ki U DD

5 Az inverter, alapfogalmak Átviteli (transzfer) karakterisztika A kimeneti jel a bemeneti jel invertáltja

6 Jel-helyreállító (regeneráló) képesség: a középső szakasz meredekségétől függ Az inverter, alapfogalmak

7 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

8 Az inverter, alapfogalmak t pd nehezen meghatározható, ráadásul a fel- és lefutáshoz tartozó késleltetés különböző lehet. Lehetséges meghatározás pl. t pdHL =a bemenet 0-1 váltásánál az U Hm szint elérésétől a kimenet U LM szint eléréséig.

9 Az ideális CMOS inverter keresztmetszete A technológia bonyolultabb, mint az NMOS esetében: –az egyik tranzisztornak külön zsebet kell kialakítani, általában az n vezetésesnek, mivel a zseb diffúziója rontja a töltéshordozók mozgékonyságát Az ábrán egy n-zsebes megoldás látható p-hordozó n+ SD p+ SD n-zseb GG NMOSPMOS

10 Egy valódi CMOS inverter keresztmetszete [Adapted from http://infopad.eecs.berkeley.edu/~icdesign/. Copyright 1996 UCB]

11 Az IC-beli CMOS inverter kivezetései Az ábrán egy p-zsebes megoldás látható Megfigyelhető az p - -zseb GND-re (földre) kötése egy p + -diffúziós területtel (ábra bal oldalán) –Azért kell a p + -diffúzió, hogy elkerüljük a Shottky-dióda kialakulását –A fém-félvezető átmenet nem ohmikusan, hanem egyenirányító módon (diódaként) viselkedik Ez kontaktus esetén káros A Shottky-hatás nem lép fel, ha a félvezető erősen adalékolt Jobb oldalon látható az n - -hordozó tápfeszültségre (U DD ) kötése egy n + -diffúziós területtel –Az n + -diffúzióra szintén a Shottky-hatás elkerülése érdekében van szükség

12 A CMOS inverter és jellemző terhelése U DD U ki CLCL U be

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

14 CMOS inverter layoutja p zseb n zseb

15 Idő Be Ki 0,25 µm-es gate-szélesség esetén a jellemző késleltetés 50 ps A CMOS Inverter (maszk alaprajz) & SPICE szimuláció

16 CMOS Inverter Inverter alaprajz a Microwind tervezőprogrammal

17 Inverterlánc

18 A gyűrűs rezgéskeltő (ring oszcillátor) N db. páratlan számú inverter láncba kapcsolva, a sorban utolsó inverter kimenete a sorban első inverter bemenetéhez van kötve nincs stabil állapota, oszcillál A rezgési frekvencia pontosan mérhető digitális frekvenciamérővel A mért f osc frekvencia reciproka a T=1/f osc periódusidő, a kiszámításának képlete: T=Nt pdp Fő alkalmazása: az IC-k vizsgálata során a párkésleltetés mérése

19 CMOS logikai kapuk A CMOS inverterben mindkét tranzisztort vezéreljük A kapuk esetében egy "felső" ill. "alsó" hálózat fog megjelenni –mindkét hálózat annyi kapuból 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

20 CMOS NOR kapu A felső hálózat két sorba kötött PMOS tranzisztorból (P 1 és P 2 ) áll Az alsó hálózat két párhuzamosan kötött NMOS tranzisztorból (N 1 és N 2 ) áll Működés: –Ha A vagy B bemenet magas, valamelyik NMOS tranzisztor vezet, a felső hálózatban viszont mindkét PMOS zár, így a kimenet logikai „0”, azaz 0 V –Ha mindkét bemenet 0, akkor a két NMOS tranzisztor zár, a két felső PMOS nyit, ezért a kimenet logikai „1”, azaz U DD

21 CMOS NAND kapu A felső hálózat két párhuzamosan kötött PMOS tranzisztorból (P 1 és P 2 ) áll Az alsó hálózat két sorba kötött NMOS tranzisztorból (N 1 és N 2 ) áll Egy N bemenetű CMOS kapuhoz 2N db tranzisztorra van szükség

22 CMOS NAND kapu layoutja

23 CMOS komplex kapuk A PMOS tranzisztorokból álló terhelés az NMOS meghajtó hálózat duális hálózata

24 Venn-diagram két bemenő mennyiségre

25 Venn-diagram három bemenő mennyiségre

26 Venn-diagram négy bemenő mennyiségre A B C D

27 Félvezető tárak (memóriák)

28 Csoportosítás különböző szempontok szerint: -RAM{random access memory} -ROM{read only memory} - illékony {volatile} a tápfeszültség lekapcsolásakor a beírt információ elvész (RAM) - nem illékony {nonvolatile} (NVRAM, az összes ROM) -destruktív : kiolvasáskor az éppen olvasott információ elvész, tehát vissza kell írni --nem destruktív

29 A MEMÓRIÁK SZERVEZÉSE Cellamátrix Minden cella 1 bit információt tárol A „vízszintes” vezeték az ún. szóvezeték, a cellákon végigfutó függőleges vezeték az ún. bitvezeték A szóvezetékek egyikével lehet a cellamátrix valamelyik sorát kijelölni ezután a bitvezetékeken keresztül tudjuk a kijelölt sor celláit írni vagy olvasni A címző áramkörök közül a szóvezetékeket mindig egy dekóder hajtja meg A bitvezetékekhez csatlakozó áramkör az író/olvasó erősítő ami a kiolvasás során nyalábolóként (multiplexer) működik Dekóder nyaláboló A5A5 A4A4 A3A3 A2A2 A1A1 A0A0 D 0 adat cím szóvezetékek Bitvezetékek Chip cella cellamátrix

30 Maszk programozott ROM Ez az „igazi” ROM Gyártáskor kerül bele az információ Nagyon nagy sorozatú gyártásnál alkalmazzák, ill. egyéb chipeken, pl. mikroprocesszorban kikeresési (look-up) táblázatok készülnek így Az információt az tárolja, hogy az adott helyen van-e tranzisztor, vagy sem A PMOS tranzisztor gate-je földre van kötve, egy szóvezeték megcímzésekor ha van a szó és a bitvonal között tranzisztor, akkor a kimenet alacsony szintű („0”), egyébként magas (logikai „1”) dekóder cím U DD

31 MOS ROM tár Poliszilícium szóvezetékek Bitvezeték

32 Felhasználó által programozható ROM (PROM)

33 PROM bipoláris technológiával Az információ beírás egy fémből készült biztosíték („fuse”) kiégetésével történik A biztosíték anyaga: NiCr, Ti, W, Pt (platina) szilicid A kiégetéshez 5-20mA és 10..15V kell Alkalmazás: pl. telefonkártya… Ezt a megoldást általában bipoláris áramkörökben alkalmazzák ki 0 ki 1 a bitvezeték aktiválásakor áram folyik, ha a biztosíték nincs kiégetve

34 „Biztosítékos” PROM tár A CrNi biztosíték

35 PROM CMOS technológiával CMOS PROM-okban az „antifuse” technológiát alkalmazzák PLICE : {Programmable Low Impedance Circuit Element} kisméretű 1,2  m  1,2  m alkatrész „Antifuse” -> ha kiégetjük, akkor vezet, egyébként szakadás Az n + diffúzió és a n + poli-Si között egy vékony, 10nm-es dielektrikum (oxid-nitrogén-oxid) van Kb. 16V, 5mA 1ns alatt megolvasztja és vezetni kezd Élettartam: kb. 40 év, 125  C SiO 2 n + diffúzió n + poli Si 1.2μm ONO

36 EPROM tár elektronikusan programozható, UV fénnyel törölhető. Az információtároló elem: egy ún. FAMOS tranzisztor {Floating gate Avalanche MOS} a MOS tranzisztorhoz képest egy „lebegő” (nincs sehova kötve) gate van kialakítva. n+n+ n+n+ SD G p hordozó poli Si lebegő gate poli Si gate Keresztmetszete A cella felépítése U DD bitvonal szóvonal

37 EPROM PROGRAMOZÁS A source-t földeljük, a gate-re és a drainre nagy pozitív feszültséget kapcsolunk. (kb. 25V) A nagy feszültség hatására lavinaletörés jön létre a csatornában, a nagy energiájú elektronok pedig keresztül jutnak az oxid potenciálgátján (3,2eV) és a lebegő elektródára kerülnek Programozás után a lebegő elektródán lévő negatív töltés ott marad (10 évet garantálnak a gyártók általában), ezáltal a tranzisztor küszöbfeszültsége megnövekszik, és akkor sem nyit ki, a gate-re tápfeszültséget kapcsolunk Programozás nélkül az eszköz úgy viselkedik, mint egy normális MOS tranzisztor. n+n+ n+n+ 0V p hordozó +U DD e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- Programozás

38 Nagy energiájú UV fénnyel a lebegő elektródáról eltávolíthatjuk az elektronokat Kb. 20 perc, elég erős UV fénnyel. OTP EPROM: annyi a különbség, hogy nem törölhető, mert nincs ablak, a tokozás egyszerűbb (olcsóbb) n+n+ n+n+ p hordozó e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- EPROM TÖRLÉS Törlés Az EPROM tok tetején egy átlátszó ablakot alakítanak ki.

39 Flash (Villantár) EEPROM Programozás: mint az EPROM cellánál, lavinaletöréssel Törlés: Pozitív feszültséget kapcsolunk a gate-re és a draint földeljük Alagútáram indul meg a lebegő gate felé, az negatív töltésűvé válik, és a tranzisztor kikapcsolt állapotban marad 1984-ben a Toshiba fejlesztette ki

40 Flash kontra merevlemezes meghajtó Közös tulajdonságok a merevlemezes meghajtóval (Winchesterrel): –Nem felejtő memória, a tápfeszültség kikapcsolása után is megtartja tartalmát Előnyök a merevlemezzel szemben: –Nem tartalmaz mozgó alkatrészt Emiatt működés közben is csak az 5%-át fogyasztja az ugyanolyan kapacitású merevlemezes meghajtónak –Kisebb –Zajtalan Hátrány a merevlemezzel szemben: –A merevlemez több milliószor is átírható, a villantár csak százezerszer, egyes típusok csak tízezerszer írhatók újra

41 Flash típusok Eredetileg adattömbök együttes beírására, kiolvasására szolgált –Ezt az együttes cselekményt nevezik flash-nek (villan) Ma NOR vagy NAND kapukat alkalmazva egyesével is kiolvasható bármely adatszelet –NAND kapus megoldás kisebb és nagyobb sűrűségű –Az adatokat sorosan olvassa ki –Ideális média alkalmazásokra Jelenleg még 20x drágább egy bit tárolása villantárban, mint merevlemezen, de a villantár ára gyorsan csökken A jelenlegi legnagyobb kapacitású villantárat az A-DATA gyártotta –128GB (Gbájt) a kapacitása –Ezeket Solid State Disk (SSD)-nek nevezik

42 Összehasonlításul: DVD Lehet CD formátumú, de van merevlemez (Winchester) alapú is Kapacitás: –2844 órányi videófilm 1TB-os merevlemezen A DVD felvevőkben jellemzően 500 GB-os merevlemez található (2007-es állapot) Tömörített adattárolás –Jellemző formátum: Divx

43 Statikus RAM (SRAM) Statikus RAM : a beírt információ a tápfeszültség eltűnéséig megmarad. Minden egyes cella egy kétállapotú áramkör, ez tárolja az információt. 6 tranzisztorból áll. Az információt a 2 keresztbecsatolt CMOS inverter tárolja, aminek 2 stabil állapota van (flip-flop) A beírás, kiolvasás a 2 átviteli kapun (transfer gate) keresztül történik

44 SRAM, írás Írás, olvasás: A bitvonalakat általában V DD /2 és V DD szint közé előtöltik. Írás: pl „1” beírása: a D vonalat földre kapcsoljuk. A szóvonal aktivizálásakor áram fog folyni az M6 M4 tranzisztorokon a föld felé. Az áramkör úgy van méretezve, hogy M4 ellenállása jóval kisebb, mint M6-é, így az M1 tranzisztor gate-je V T alá kerül, M5 pedig teljesen kinyit, így M1 drainjét tápfeszültségre tölti. 0V

45 SRAM, olvasás Írás, olvasás: A bitvonalakat általában V DD /2 és V DD szint közé előtöltik. Olvasás: a szóvonal aktivizálásakor a D vonal szintje kicsit megemelkedik, a D vonal szintje kicsit csökken, mivel M4 – M2 keresztül áram folyik. A két szint különbségéből kell az érzékelő erősítőnek a logikai szintet helyreállítania. V DD 1 0

46 Dinamikus RAM (DRAM) Az SRAM hoz képest a DRAM cella egy tranzisztorból és egy kapacitásból áll. Azonos felületen kb. 4x sűrűbb mint a statikus RAM Az információt a C s kapacitás tárolja, amit az M1 tranzisztor kapcsol rá a bitvonalra. A C s kapacitás kb. 30..60fF.

47 DRAM / Alfa részecskék hatása Az alfa részecskék hatása: Egy becsapódó alfa részecske 1-2 millió elektront képes kelteni, és ez megváltoztathatja a kapacitás töltését Ezért védőfóliával (pl. poliimid) fedik a DRAM chipeket

48 PRAM I A Samsung 2009-ben megkezdte a PRAM (Phase Change Random Access Memory) lapkák gyártását A fázisváltáson alapuló technológia az anyagszerkezet felmelegítésekor és lehűtésekor keletkező átalakulást használja ki Az elektromos árammal irányított ciklusok hatására a kalkogén üveg amorf vagy kristályos szerkezetet vesz föl –Ennek megfelelően nagy vagy kicsi lesz az elektromos ellenállása –Ez alkalmas a digitális adattárolásra

49 PRAM II A ciklusok nagyon gyorsan lefolynak, ami lehetővé teszi, hogy az új technológia akár harmincszor gyorsabb legyen a villantárakhoz viszonyítva A PRAM az élettartama is nagyon kedvező –akár tízszer több írási ciklust képes elviselni, mint a villantárak Elsőként 512 Mbit-es lapkákat gyártottak –Ezek elsősorban a mobil termékekbe

50 Kódolás (Encoding) Binárisan Decimális Nem kódolt kódolt 0 0001 00 1 0010 01 2 0100 10 3 1000 11

51 Miért kódolnak? Egy logaritmikus kapcsolat

52 2:4 Dekóder 1 1 0 0 1 00 Mi történik, amikor a bemenetek 01-ről 10-ba mennek? – hazárd lehetősége

53 2:4 Dekóder engedélyezéssel (Enable) 1 1 0 0 1 00