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”, UH=UDD, UL=0V a statikus áramfelvétel =0 gyors működés tápfeszültség érzéketlen

4 A CMOS inverter p n U be ki DD 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

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

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

7 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

8 Az inverter, alapfogalmak
tpd nehezen meghatározható, ráadásul a fel- és lefutáshoz tartozó késleltetés különböző lehet. Lehetséges meghatározás pl. tpdHL=a bemenet 0-1 váltásánál az UHm szint elérésétől a kimenet ULM 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+ S D p+ n-zseb G NMOS PMOS

10 Egy valódi CMOS inverter keresztmetszete
[Adapted from 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 (UDD) kötése egy n+-diffúziós területtel Az n+-diffúzióra szintén a Shottky-hatás elkerülése érdekében van szükség

12 A CMOS inverter és jellemző terhelése
UDD Uki CL Ube

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 VTn<Ube<UDD-VTp Töltés-pumpálás Jelváltásokkor a kimeneten lévő CL 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 A CMOS Inverter (maszk alaprajz) & SPICE szimuláció
Idő Be Ki 0,25 µm-es gate-szélesség esetén a jellemző késleltetés 50 ps

16 Inverter alaprajz a Microwind tervezőprogrammal
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 fosc frekvencia reciproka a T=1/fosc periódusidő, a kiszámításának képlete: T=Ntpdp 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 (P1 és P2) áll Az alsó hálózat két párhuzamosan kötött NMOS tranzisztorból (N1 és N2) 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 UDD

21 CMOS NAND kapu A felső hálózat két párhuzamosan kötött PMOS tranzisztorból (P1 és P2) áll Az alsó hálózat két sorba kötött NMOS tranzisztorból (N1 és N2) 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 Félvezető tárak (memóriák)

25 Félvezető tárak (memóriák)
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

26 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 Dekóder nyaláboló A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 adat cím szóvezetékek Bitvezetékek Chip cella cellamátrix 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

27 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 cím UDD 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

28 MOS ROM tár Poliszilícium szóvezetékek Bitvezeték

29 Felhasználó által programozható ROM (PROM)

30 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 V kell Alkalmazás: pl. telefonkártya… Ezt a megoldást általában bipoláris áramkörökben alkalmazzák a bitvezeték aktiválásakor áram folyik, ha a biztosíték nincs kiégetve ki0 ki1

31 „Biztosítékos” PROM tár
A CrNi biztosíték

32 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 SiO2 n+ diffúzió n+ poli Si 1.2μm ONO

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

34 EPROM PROGRAMOZÁS Programozás +UDD 0V
n+ 0V p hordozó +UDD e- 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.

35 EPROM TÖRLÉS Törlés Az EPROM tok tetején egy átlátszó ablakot alakítanak ki. e- e- e- e- e- e- n+ n+ p hordozó 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)

36 Villantár (Flash) 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

37 Villantár 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

38 Villantár 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

39 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

40 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

41 SRAM, írás Írás, olvasás: A bitvonalakat általában VDD/2 és VDD szint közé előtöltik. 0V 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 VT alá kerül, M5 pedig teljesen kinyit, így M1 drainjét tápfeszültségre tölti.

42 SRAM, olvasás Írás, olvasás: A bitvonalakat általában VDD/2 és VDD szint közé előtöltik. 1 VDD 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.

43 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 Cs kapacitás tárolja, amit az M1 tranzisztor kapcsol rá a bitvonalra. A Cs kapacitás kb fF.

44 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

45 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

46 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

47 Kódolás (Encoding) Binárisan Decimális Nem kódolt kódolt

48 Miért kódolnak? Egy logaritmikus kapcsolat

49 2:4 Dekóder 1 1 1 0 0 1 00 Mi történik, amikor a bemenetek 01-ről 10-ba mennek? – hazárd lehetősége

50 2:4 Dekóder engedélyezéssel (Enable)
1 1 1 0 0 1 00