1 / 46

Logikai alapkapcsolások

Logikai alapkapcsolások. Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához Belső használatra!. BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikus Eszközök Tanszéke Mizsei János, Székely Vladimír 2 004 április. Digitális alapáramkörök. Főleg MOS megold ások

dyani
Download Presentation

Logikai alapkapcsolások

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 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

  2. 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).

  3. 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

  4. 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

  5. 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

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

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

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

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

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

  11. Az inverter, alapfogalmak Jel-regeneráló képesség: a középső szakasz meredekségétől (feszültségerősítés) függ Ube1Ube2 Ube3 Uki Uki2 Uki1 Uki3 |derivált|<1, konvergencia |derivált|>1, divergencia, ez a jó ! Ube2 Ube1 Ube3

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

  13. Az inverter, alapfogalmak 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) Komparálási feszültség UK

  14. 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.

  15. Az inverter, alapfogalmak

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

  17. 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.

  18. 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

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

  20. 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

  21. UKI=UDS (driver) UBE=UGS MOS inverter kiürítéses terheléssel UDD UDD A transzfer karakterisztika szerkesztése : UKI VT UBE UDS 0 1 2 3 4 5 UGS =UBE Aránytípusú inverter 4 5 3 2 1 0 =UKI Z 80, PC: 286

  22. 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.

  23. 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.

  24. 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).

  25. Kapuáramkörök kialakitása LAYOUT

  26. Kapuáramkörök kialakítása • (4+3+3)+4+2= 16 tranzisztor, • 3 kapukésleltetés KOMPLEX KAPUK A MOS áramkörök előnye, hogy bonyolultabb logikai függvények is kialakíthatók egyetlen kapu formájában 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.

  27. 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.

  28. 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

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

  30. 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

  31. CMOS keresztmetszete

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

  33. 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

  34. Ki=A+B Ki=(A+B)C N bemeneti jel: 2N tranzisztor CMOS kapuáramkörök A p csat. B Ki Ki C A A A n csat. B B B 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

  35. 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

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

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

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

  39. 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

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

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

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

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

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

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

  46. 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.

More Related