Logikai alapkapcsolások

Logikai alapkapcsolások Logikai alapkapcsolások

BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Mizsei János, Székely Vladimír

2004 április

BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Mizsei János, Székely Vladimír

2004 április

Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához

Belső használatra!

Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához

Belső használatra!

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?

UBE2

UBE1

UBE3UKI=f(UBE1,UBE2,UBE3)

UBE2

UBE1

UBE3UKI=UBE1+UBE2+UBE3

UBE UKI=UB

E

Huzalozott “OR” kapu !

Többszintű kapcsolás: kimenet-bemenet

szétválasztása

UKI=UBE1UBE2

“AND” kapu

UBE2

UBE1

Az elválasztás túl jól sikerült: nem tudja fogadni a következő fokozat áramát !

A megoldás: + egy erősítő (inverter) =DTL (Diode-Transistor-Logic) “NAND” kapu

UKI=UBE1UBE2

UBE2

UBE1

A

B

Y=AB

A bipoláris TTL NAND kapu

Y=AB

A

B

UCC= 5 V

+fázishasító, totem-pole kimenettel

5

UBE

UKI

multiemitteres tranzisztor

0.7 V 0.7

V

A bipoláris TTL NAND kapu

Y=AB

A

B

UCC= 5 V

0.7 V

0.7 V

A bipoláris TTL NAND kapu

Y=AB

A

B

UCC= 5 V

UBE =UCES0~0UBE~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

)( inout UfU

A kimeneti jel logikailag a bemeneti jel invertáltja

Uin

Uout

"1"

"1"

"0"

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 !

UinUout

"1"

"1"

"0"

ULM,a logikai 0 szint maximumaUHm,a logikai 1 szint minimuma

ULM UHm

PÉLDA: 74HC00, Vdd=3V, ULM=0.9 UHm=2.1V

Az inverter, alapfogalmakJel-regeneráló képesség: a középső szakasz

meredekségétől (feszültségerősítés) függ

Uin

Uout

"1"

"1"

"0"

Ube1 Ube2 Ube3 Uki

Ube1Ube2 Ube3

Uki3

)(xfx

derivált<1, konvergencia

derivált>1, divergencia, ez a jó !

Uki2

Uki1

Az inverter, alapfogalmak

Jel-regeneráló képesség

U3U2U1

0.0n 10.0n 20.0n 30.0n 40.0n

time [sec]

-1.0-0.01.02.03.04.05.06.0

U [

V]

U3-nak láthatóan a szintje is és a jelalakja is regenerálódott!

UL=0V, UH=5V

(SPICE szimuláció)

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)

outin UU

Uin

Uout

"1"

"1"

"0")(UfU UK

Az inverter, alapfogalmakJelterjedési idő ( propagation delay)

t

U

UHm

ULH

tpd

U in U out

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.

10%

90%

tdH

tdL

Az inverter, alapfogalmak

1 11n n+2

tpdpt

U U n U n+ 2

Párkésleltetés (tpdp)

Elegendően sokinverter után ajelformát csak azinverterek belsőtulajdonságaihatározzák meg.A jel 2 inverterután megegyezik,a késleltetéspedig tpdp

Az inverter, alapfogalmak

A párkésleltetés mérése:Ring oszcillátor páratlan számú inverter láncba

kapcsolva, nincs stabil állapota, T periódusidővel oszcillál.

1 1 1 11T=Ntpdp

Az inverter, alapfogalmak

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.

Teljesítmény (P) - késleltetés () szorzat (P)

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

Uin

Uout

UDD

UDD

UKI

UBE

?

U GS =5V

U GS =4V

U GS =3V

U GS =2V

I D

U DSU DD

I LOW

1

0

U L ~0 U H=U DD-VT

Trióda terhelésű és telítéses inverterek

(múlt) UDD

UKI

UBE

U G S =5V

U G S =4V

U G S =3V

U G S =2V

I D

U DSU DD

I LOW

1

0

U L ~ 0V U H=U DD

UDD

UKI

UBE

UGG

VT

UGSUGS

UDS UDS

LL

W

DL

W

kicsi

nagy

Aránytípusú

inverterek

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.

I

0 1 2 3 4 5V

0.0u

50.0u

100.0u

150.0u

200.0u

I – U

Intel 8080

UKI

UDSUBE

UGS

UDD

UDS

Passzív, ellenállásként használjuk...

A transzferkarakterisztika

szerkesztése :

U G S =5V

U G S =4V

U G S =3V

U G S =2V

I D

U DSU DD

I LO W

1

0

U L~ 0V U H=U D D

Aránytípusú inverter

MOS inverter kiürítéses terheléssel

UKI

UDSUBE

UGS

UDD

=UB

E

=UKI

UBE=UG

S

UKI=UDS (driver)

Z 80, PC: 286

1 2 3 4 50

0

UDD

12

345

VT

Kiürítéses tipusú MOS inverter

Az átkapcsolási tranziens:

B

A

U

U

kikic

kiLAB dU

UI

UCt

)(

)(

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.

LDC III

dt

dUCI ki

LC

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 kialakításaKOMPLEX KAPUKA MOS áramkörök előnye, hogy bonyolultabb logikai

függvények is kialakíthatók egyetlen kapu formájában

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.

(4+3+3)+4+2= 16 tranzisztor, 3 kapukésleltetés

7 tranzisztor, 1 kapukésleltetés

Kapuáramkörök kialakítása

Milyen logikai függvényt valósít meg a komplex kapu?

4 áramút van (huzalozott „OR”), a kimenetet a bemenettől a gate-oxid választja el. FEDCABF )(

?DL

W

N bemeneti jel: N+1 tranzisztor

CMOS kapuk

PC: 386-tól

UDD

UKI

UKI

UDSUBE

UGS

++UDD P csatornás, növekményes

N csatornás, növekményes

“1”

“0”

Egymásbavezetés:

UDD>VTn+(-VTp)

UGS= UBEUDD

ID

VTpVTn

UKI

?,

LDL

W

Potenciálok és munkapontok az átkapcsolás során

UKI

UDSUBE

++UDD

UGSp

UDS ++UDD

ID

UBE=UGSn =5

4

3

2

1

UBE-UDD=UGSp =-5

-4

-3

-2

-1UGSn

VTn

UKI

UGS= UBEUDD

VTpVTn

UKI

UGS= UBEUDD

VTp

Egymásbavezetés megszűnik, ha:

UDD<VTn+(-VTp), egyszerre csak az egyik tranzisztor vezethet, vagy egyik sem, ez a nagy impedanciájú állapot:

UDD -(-VTp) < UBE < VTn

a kimeneten a feszültséget

nem a kapu kényszeríti.

Egymásbavezetés:

UDD>VTn+(-VTp)

a kimenetre a feszültség adott, valamelyik tranzisztor (vagy mindkettő) nyitva van.

CMOS keresztmetszete

CMOS CMOS

inverterekinverterek

UDDUDD

GNDGND

BeBe

KiKiA p vezetéses A p vezetéses

tranzisztorokat tranzisztorokat kétszeres W/L kétszeres W/L

értékkel értékkel valósították megvalósították meg

A CMOS áramkör fogyasztása

UKI

UBE

UGS

++UDD

CL

TöltéspumpálásTöltéspumpálás

Kiegyenlített kapcsolási időkKiegyenlített kapcsolási időkDDLUCQ

fQUP DD

fUCP DDL2

f=109

=3.3V

=0.01 pF

P=10-14 x 11 x 109=110 mikrowatt

+UDD csökkentése: P négyzetesen csökken,

határ: VT

CMOS kapuáramkörök

A

B

A

BA

B

p csat.

n csat.

A

B

CKi

Ki

p vezetéses tranzisztorokp vezetéses tranzisztorok:: kétszeres W/L érték kétszeres W/L érték

N bemeneti jel: 2N tranzisztor

Ha az n vezetéses tranzisztorokHa az n vezetéses tranzisztorokhálózata vezet,hálózata vezet,akkor a p vezetéses akkor a p vezetéses tranzisztorok hálózata nem tranzisztorok hálózata nem vezet.vezet.

(logikai függvény duális hálózata)(logikai függvény duális hálózata)

(logikai függvény)(logikai függvény)

Ki=A+BKi=A+B Ki=(A+B)Ki=(A+B)CC

CMOS változatok

UDS=UKi ++UDD

ID

UBE=UGSn =5

4

3

2

1

UGSp =-5

Pszeudo-nMOS: CMOS technológiávalPszeudo-nMOS: CMOS technológiával

UBE

UKi

++UDD

N bemeneti jel: 2N helyett N+1 tranzisztor

Transzfer kapuk

Jelterjedés: Jelterjedés:

mindkét irányba,mindkét irányba,

lezárt tranzisztor(ok):lezárt tranzisztor(ok):

nagy impedanciájú nagy impedanciájú állapot.állapot.

UBE

UKi=UBE-VT

UKi =UBEUBE

Clock

Clock

Multiplexer áramkör transzfer kapukkal

A1

A1

A0

A0

A0

A0

D0

D1

D2

D3

UKi =D0… D3 adatbit, az A cím bitjeinek megfelelően

Órajellel vezérelt CMOSN bemeneti jel: 2N+2 tranzisztor

Clock

Clock

Dinamikus inverter (NMOS)

UBE UKi

++UDD ++UDD

1

2

3

4

1

2

3

4

t

Előtöltés,

kisütés,

előtöltés,

kisütés

Nem aránytípusú, nagy Nem aránytípusú, nagy lehet a töltőáram is !lehet a töltőáram is !

MOS I/O áramkörökMOS I/O áramkörök

CoreCore

PadPad

Input pad: Input pad: sztatikus sztatikus töltések töltések

elleni elleni védelemrevédelemre

Output pad: Output pad: áram meghajtás áram meghajtás

a kimenetet a kimenetet terhelő terhelő

kapacitások kapacitások gyors gyors

feltöltésérefeltöltésére

MOS I/O áramkörökMOS I/O áramkörök

PadPadInputInput pad: pad: védelemvédelem

(elektrosztatiku(elektrosztatikus feltöltõdés, a s feltöltõdés, a gate védendő)gate védendő)

Védő Védő diódákdiódák (optikai mikroszkópiás kép)(optikai mikroszkópiás kép)

MOS I/O áramkörökMOS I/O áramkörök

Bemeneti Bemeneti védelemvédelem

(pásztázó (pásztázó elektron-elektron-

mikroszkópos mikroszkópos kép)kép)

Védő Védő diódákdiódák

MOS I/O áramkörökMOS I/O áramkörök

Kimeneti Kimeneti áram-áram-

meghajtómeghajtó

két soros két soros inverterrelinverterrel

BemenetBemenet

KimenetKimenet(optikai mikroszkópiás kép)(optikai mikroszkópiás kép)

UBE

UKi

++UDD

MOS I/O áramkörökMOS I/O áramkörökKimeneti Kimeneti

áram-áram-meghajtómeghajtó

két soros két soros inverterrelinverterrel

BemenetBemenet KimeneKimenett

Elektron-mikroszkópos Elektron-mikroszkópos felvételfelvétel

UBE

UKi

++UDD

1

25

L

W

1

100

L

W

NMOS vonalmeghajtó

1

100

L

W

1

100

L

W

UBE

UKi

++UDD

VTn

UUkiki< U< UDDDD-V-VTnTn

CMOS vonalmeghajtó, háromállapotú

kimenettel

Enable=1, a kimenet lebeg.

Ki

++UDDNOR

BE

Valamelyik tranzisztor nyitva: 0-1 állapotok kényszerítve.

Nagy impedanciájú állapot: mindkét tranzisztor lezárva.