Схема и не на транзисторах: Логические элементы — Лекции по вычислительной технике (Информатика и программирование)

Содержание

Логические элементы в дискретном исполнении

Базисные логические функции(логические элементы) могут быть представлены как в дискретном исполнении, так и методами интегральной технологии. Базисные логические функции(логические элементы) «И», «ИЛИ» и «НЕ» могут выполняться на диодах, резисторах, биполярных полевых транзисторах. В соответствии с конструкцией построения логических элементов различают резисторно-транзисторную логику(РТЛ), диодно-транзисторную(ДТЛ), транзисторно-транзисторную логику(ТТЛ), а также логику на полевых транзисторах(«р»-канальная-рМОП, «n»-nМОП), комплементарную (КМДП) и динамическую (МОП).

Логический элемент «НЕ» (логическое отрицание).

Логический элемент «НЕ» имеет один вход и один выход. Условно обозначается в схемах:

 

 

 

Таблица истинности операции «НЕ» имеет вид:

 

 

Логический элемент » НЕ» представляет собой усилительный каскад на транзисторе, вклю­чённом по схеме ОЭ и работает в ключевом режиме. На вход подаются положительные сигналы в положительной логике. Используется транзистор типа n-p-n (рис.14-12.).

       
 
   
 

Рис. 14-12. Электронная схема реализующая логический элемент «НЕ».

 

Допустим, что транзистор VTзакрыт отрицательным потенциалом на базе от -Еб. Если на «Вх» подать низкий потенциал, соответствующий «0» , то VT остаётся закрытым, а при этом Iк=0 и . Следовательно, на выходе будет высокое напряжение соответствующее «I».

Если на “Вх” подать высокий положительный потенциал соответствующий «I», то VTбудет в состоянии насыщения и .Такой логический элемент еще называют «инвертором».

Логический элемент «И» (логическое умножение).

Обозначается . Элемент имеет как минимум два входа и один выход. Ус­ловное обозначение элемента “И”:

 
 

 

Таблица истинности операции «И» имеет вид:

Схема двухходового элемента «И» на биполярных транзисторах показана на рис 14-13.

 
 

 

Рис 14-13. Электронная схема, реализующая логический элемент «И».

 

Из схемы (рис 14-13) видно, что транзисторы VT1 и VT2 соединены последовательно и электрический ток может протекать тогда, когда открыты оба транзистора. В том случае, когда один из транзисторов будет закрыт, то на входе напряжение будет равно «0», что соответствует таблице истинности. Этот логический элемент называется конъюктор.

Логический элемент «ИЛИ» (логическое сложение)

 
 

 

Обозначается .

Таблица истинности операции «или» имеет вид:

 

 

Схема двухходового логического элемента «ИЛИ» показаны на рис 14-14.

 

 

 

Рис 14-14. Электронная схема, реализующая логический элемент «ИЛИ».

Схема элемента «ИЛИ» выполнена на биполярных транзисторах (технология

транзисторно-транзисторной логики). Если на входы и не подается

напряжение, то TV1 и TV2 заперты и на (на выходе) нет напряжения, и это соответствует тому, что на выходе логический «0». Если на один вход или на оба входа подается положительное напряжение (логическая «1»), то один или оба транзистора открываются и на выходе появляется положительное напряжение, отображающее «1», что соответствует таблице истинности. Этот логический элемент еще называют дизъюнкцией.

Логический элемент «И-НЕ»(отрицание умножения, штрих Шеффера)

Условное обозначение в схемах.

 

 

Таблица истинности операции “И-НЕ” имеет вид:

 

 

Рассмотрим схему «И-НЕ» транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) (элемент Шеффера, рис 14-15)

 

Рис 14-15. Электронная схема, реализующая логический элемент «И-НЕ» (выполнена в ТТЛ).


Данная схема предназначен для работы от сигналов в виде напряжений, отрицательной полярности в отрицательной логике. (рис 14-15)

При отсутствии сигналов на входах схемы, и заперты положительным смещением , тока нет и на выходе (то есть «I»).Когда на входы одновременно будут поданы ( то есть «I») и , то V и V откроются и на выходе .Если на ВхI подать «0», а на Вх2 –«1», то будет заперт, а открыт, тока в цепи нет и (логическая «1»). Если на ВХ1 подать «1», а на ВХ2 – «0», то на выходе также (логическая «1»)

Логический элемент «ИЛИ-НЕ»(отрицание сложения элемент Пирса).

Условное обозначение в схемах (логического элемента «ИЛИ-НЕ»)

 

Таблица истинности логического элемента «ИЛИ-НЕ» :

Рассмотрим схему элемента «ИЛИ-НЕ» (рис 14-16) :

 

Рис 14-16. . Электронная схема, реализующая логический элемент «ИЛИ-НЕ».

 

 

Схема (рис 14-16) работает от сигналов в виде напряжений отрицательной полярности в отрицательной логи­ке. Схема выполнена на транзисторе и работает как логический элемент «НЕ» с несколькими входами (не менее двух).

При отсутствии на входах сигналов транзистор заперт положительным смещением +Еб на базе, тогда Iк=0 и Uвых = -Ек (т.е. «I»). Когда на любой из входов поступит сигнал Ubx = Uo (т.е. «I»), то транзистор отпирается и Uвых 0 (т.е. «О») и т.д. Здесь чаще всего используют МОП-транзисторы, т.к. у них высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.

 

 

Основываясь на законах алгебры логики можно любой логический элемент заменить устройством, собранных только на двухходовых элементах И-НЕ.

1). Операция НЕ, ,

 

 

 

Таблица истинности операции «НЕ».

 

у

 

 

2). Операция И,

 

 

 

Таблица истинности операции «И».

 

Х1 Х2 И1 НЕ(у1) И2 НЕ (у)

 

3). Операция «ИЛИ»,

 

 

 

Таблица истинности операции «ИЛИ».

 

Х1 Х2 И1 И2 И1 И2 И3 У(или)

 

4). Операция сложения по модулю два (исключающее ИЛИ),

 

 

 

Таблица истинности операции «исключающее ИЛИ».

 

 

Х1 Х2 И1 И2 И1 И2 И3 И4 И3 И4 И НЕ(У)

 

Логические элементы на кмоп-транзисторах. Микросхемы кмоп — идеальное семейство логических схем

Лекция. Изготовление процессоров

Микропроцессор — это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником — тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.

Микропроцессор содержит миллионы транзисторов

, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.

Один из главных параметров работы микпроцессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется частотой переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Размерность технологического процесса определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора).

Как делают микросхемы

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники

p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник — это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная .

Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная — к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы — основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом — при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Говоря о процессорах Intel, часто используют такие специфические понятия, как 0,13-микронный технологический процесс, а в последнее время — 90-нанометровый технологический процесс. К примеру, принято говорить, что новый процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood выполнен по 0,13-микронной технологии, а будущее поколение процессоров будет основано на 90-нанометровом технологическом процессе. В чем же разница между этими технологическими процессами и как она отражается на возможностях самих процессоров?

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток . Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится.

Рис. 1. Принцип работы КМОП-транзистора

Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток — говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов.

Вот изображение поперечного сечения процессора:

Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.

Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).

Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого — получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

Шаг 4. Литография

Шаг 5. Травление

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Шаг 7. Напыление и осаждение

Шаг 8. Заключительный этап

Перспективные технологии

Логические КМОП (КМДП) инверторы

Микросхемы на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-микросхемы) строятся на основе МОП транзисторов с n- и p-каналами. Один и тот же входной потенциал открывает транзистор с n-каналом и закрывает транзистор с p-каналом. При формировании логической единицы открыт верхний транзистор, а нижний закрыт. В результате ток через КМОП схему не протекает. При формировании логического нуля открыт нижний транзистор, а верхний закрыт. И в этом случае ток от источника питания через микросхему не протекает. Простейший логический элемент — это инвертор. инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах, приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Принципиальная схема инвертора, выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП-инвертор)

В результате этой особенности КМОП-микросхем, они обладают преимуществом перед рассмотренными ранее видами — потребляют ток в зависимости от поданной на вход тактовой частоты. Примерный график зависимости потребления тока КМОП-микросхемы в зависимости от частоты ее переключения приведен на рисунке 2


Рисунок 2. Зависимоть тока потребления КМОП микросхемы от частоты

Логические КМОП (КМДП) элементы «И»

Схема логического элемента «И-НЕ» на КМОП микросхемах практически совпадает с упрощенной схемой «И» на ключах с электронным управлением, которую мы рассматривали ранее. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Принципиальная схема логического элемента «2И-НЕ » , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП), приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Принципиальная схема логического элемента «2И-НЕ» , выполненного на комплементарных МОП транзисторах (КМОП)

В этой схеме можно было бы применить в верхнем плече обыкновенный , однако при формировании низкого уровня сигнала схема постоянно потребляла бы ток. Вместо этого, в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Эти транзисторы образуют активную нагрузку. Если на выходе требуется сформировать высокий потенциал, то транзисторы открываются, а если низкий — то закрываются.

В приведённой на рисунке 2 схеме логического КМОП-элемента «И», ток от источника питания на выход КМОП-микросхемы будет поступать через один из транзисторов, если хотя бы на одном из входов (или на обоих сразу) будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же на обоих входах логического КМОП-элемента «И» будет присутствовать уровень логической единицы, то оба p-МОП транзистора будут закрыты и на выходе КМОП микросхемы сформируется низкий потенциал. В этой схеме, так же как и в схеме, приведенной на рисунке 1, если транзисторы верхнего плеча будут открыты, то транзисторы нижнего плеча будут закрыты, поэтому в статическом состоянии ток КМОП-микросхемой от источника питания потребляться не будет.

Условно-графическое изображение КМОП логического элемента «2И-НЕ» показано на рисунке 4, а таблица истинности приведена в таблице 1. В таблице 1 входы обозначены как x 1 и x 2, а выход — F .


Рисунок 4. Условно-графическое изображение логического элемента «2И-НЕ»

Таблица 1. Таблица истинности КМОП-микросхемы, выполняющей «2И-НЕ»

x1 x2 F
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
«ИЛИ» , выполненный на КМОП транзисторах, представляет собой параллельное соединение ключей с электронным управлением. Отличие от упрощенной схемы «2ИЛИ», рассмотренной ранее, заключается в том, что нагрузка подключается не к общему проводу схемы, а к источнику питания. Вместо резистора в качестве нагрузки используются p-МОП транзисторы. Принципиальная схема логического элемента «2ИЛИ-НЕ» , выполненного на комплементарных МОП-транзисторах приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Принципиальная схема логического элемента «ИЛИ-НЕ», выполненного на комплементарных МОП транзисторах

В схеме КМОП логического элемента «2ИЛИ-НЕ» в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход КМОП микросхемы будет поступать только если все транзисторы в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо двухтактного каскада, собранного на КМОП транзисторах, будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход КМОП-микросхемы не будет.

Таблица истинности логического элемента «2ИЛИ-НЕ» , реализуемая КМОП микросхемой, приведена в таблице 2, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 6.


Рисунок 6. элемента «2ИЛИ-НЕ»

Таблица 2. Таблица истинности МОП микросхемы, выполняющей логическую функцию «2ИЛИ-НЕ»

x1 x2 F
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

В настоящее время именно КМОП-микросхемы получили наибольшее развитие. Причём наблюдается постоянная тенденция к снижению напряжения питания данных микросхем. Первые серии КМОП-микросхем, такие как К1561 (иностранный аналог C4000В) обладали достаточно широким диапазоном изменения напряжения питания (3..18В). При этом при понижении напряжения питания у конкретной микросхемы понижается её предельная частота работы. В дальнейшем, по мере совершенствования технологии производства, появились улучшенные КМОП-микросхемы с лучшими частотными свойствами и меньшим напряжением питания, например, SN74HC.

Особенности применения КМОП-микросхем

Первой и основной особенностью КМОП-микросхем является большое входное сопротивление этих микросхем. В результате на ее вход может наводиться любое напряжение, в том числе и равное половине напряжения питания, и храниться на нём достаточно долго. При подаче на вход КМОП-элемента половины питания открываются транзисторы как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада, в результате микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и может выйти из строя . Вывод: входы цифровых КМОП-микросхем ни в коем случае нельзя оставлять неподключенными!

Второй особенностью КМОП-микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании. Однако работают они чаще всего неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора приведена на рисунке 7.


Рисунок 7. Полная принципиальная схема КМОП-инвертора

Диоды VD1 и VD2 были введены для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством. В то же самое время при подаче на вход КМОП-микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадёт на шину питания микросхемы, и так как она потребляет достаточно малый ток, то КМОП микросхема начнёт работать. Однако в ряде случаев этого тока может не хватить для питания микросхем. В результате КМОП микросхема может работать неправильно. Вывод: при неправильной работе КМОП микросхемы тщательно проверьте питание микросхемы , особенно выводы корпуса. При плохо пропаянном выводе отрицательного питания его потенциал будет отличаться от потенциала общего провода схемы.

Четвёртая особенность КМОП-микросхем &mdash это протекание импульсного тока по цепи питания при ее переключении из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при переходе с ТТЛ микросхем на КМОП микрохемы-аналоги резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно, и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу или BICMOS микросхем.

Логические уровни КМОП-микросхем

Логические уровни КМОП-микросхем существенно отличаются от . При отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП-микросхемы совпадает с напряжением питания (логический уровень единицы) или с потенциалом общего провода (логический уровень нуля). При увеличении тока нагрузки напряжение логической единицы может уменьшается до 2,8В (U п =15В) от напряжения питания. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой КМОП микросхемы (серия микросхем К561) при пятивольтовом питании показан на рисунке 8.


Рисунок 8. Уровни логических сигналов на выходе цифровых КМОП-микросхем

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Для КМОП-микросхем договорились о 30% запасе. Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП-микросхем при пятивольтовом питании приведены на рисунке 9.


Рисунок 9. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП-микросхем

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы можно определить точно так же (разделить напряжение питания на 3).

Семейства КМОП-микросхем

Первые КМОП-микросхемы не имели защитных диодов на входе, поэтому их монтаж представлял значительные трудности. Это семейство микросхем серии К172. Следующее улучшенное семейство КМОП микросхем серии К176 получило эти защитные диоды. Оно достаточно распространено и в настоящее время. Серия К1561 завершает развитие первого поколения КМОП микросхем. В этом семействе было достигнуто быстродействие на уровне 90 нс и диапазон изменения напряжения питания 3 … 15В. Так как в настоящее время распространена иностранная аппаратура, то приведу иностранный аналог этих КМОП микросхем — C4000В.

Дальнейшим развитием КМОП-микросхем стала серия SN74HC. Эти микросхемы отечественного аналога не имеют. Они обладают быстродействием 27 нс и могут работать в диапазоне напряжений 2 … 6 В. Они совпадают по цоколёвке и функциональному ряду с , но не совместимы с ними по логическим уровням, поэтому одновременно были разработаны КМОП микросхемы серии SN74HCT (отечественный аналог — К1564), совместимые с ТТЛ микросхемами и по логическим уровням.

В это время наметился переход на трёхвольтовое питание. Для него были разработаны КМОП-микросхемы SN74ALVC с временем задержки сигнала 5,5 нс и диапазоном питания 1,65 … 3,6 В. Эти же микросхемы способны работать и при 2,5 вольтовом питании. Время задержки сигнала при этом увеличивается до 9 нс.

Наиболее перспективным семейством КМОП-микросхем в настоящее время считается семейство SN74AUC с временем задержки сигнала 1,9 нс и диапазоном питания 0,8 … 2,7 В.

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный может моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то базы транзистора Т 2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т 2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень , то через базу Т 2 транзистора будет протекать большой базовый и на коллекторе транзистора Т 2 будет низкий уровень , т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u вых = u 1 · u 2 . Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет высокий уровень . Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то Т 2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т 4 и запиранию транзистора Т 3 , т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение приведено на рис. 3.29, б .

Такой эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT 4 — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u вх1 и u вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD 3 и VD 4 закрыты, транзисторы VT 1 ,VT 5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется низкого уровня, то транзисторы VT 1 и VT 5 закрыты, а транзисторы VT 3 и VT 4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT 3 и VT 4 образуют так называемый составной (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

● питания +5 В;

● выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;

● выходное высокого уровня — не менее 2,5 В;

● помехоустойчивость — не менее 0,3 В;

● среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;

● максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.

Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT 2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение U оп. Изменение входного u вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i э0 , заданного сопротивлением R э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

● питания −5,2 В;

● потребляемая мощность — 100 мВт;

● коэффициент разветвления по выходу — 15;

● задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т 3 и двух управляющих транзисторов Т 1 и Т 2 . Если оба транзистора Т 1 и Т 2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень . Если одно или оба напряжения u 1 и u 2 имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 и на выходе устанавливается низкий уровень , т. е. реализуется функция u вых = u 1 + u 2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u 1 и u 2 меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора U зи.порог. n), то транзисторы Т 1 и Т 2 закрыты, транзисторы Т 3 и Т 4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных u 1 и u 2 имеют высокий уровень, превышающий U зи.порог. n , то открывается один или оба транзистора Т 1 и Т 2 , а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т 3 и Т 4 , а следовательно, на выходе устанавливается низкое . Таким образом, этот элемент реализует функцию u вых = u 1 +u 2 и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И 2 Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И 2 Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T 1 (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный Т 2 (n-p n) расположен вертикально. T 1 выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T 1 (при подаче на него положительного через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т 2 . Если u 1 соответствует логическому «0», то инжекционный не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т 2 и токи в цепях коллекторов транзистора Т 2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т 2 устанавливаются логические «1». При напряжении u 1 соответствующем логической «1», инжекционный протекает по базе транзистора Т 2 и на выходах транзистора Т 2 — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т 3 и Т 4 на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то u вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u вых соответствует логической единице.

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке.

Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.

Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.

Так появился МОП-транзистор , а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.

Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.

Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.

Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.

Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 — 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 — 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.

Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.

За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.

Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.

На рисунке показан классический базовый элемент (вентиль), который осуществляет инверсию входного сигнала (элемент НЕ). То есть если на вход приходит логическая единица, то с выхода снимается логический ноль и наоборот. Здесь наглядно показана комплементарная пара транзисторов с затворами «n» и «p» типов.

На следующем рисунке показан базовый элемент 2И — НЕ. Хорошо видно, что резисторы, которые присутствуют в аналогичном элементе ТТЛ микросхемы, здесь отсутствуют. Из двух таких элементов легко получить триггер, а из последовательного ряда триггеров прямая дорога к счётчикам, регистрам и запоминающим устройствам.

При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.

Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.

Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и металлический браслет, одеваемый на руку работнику.

Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.


Рис. 16.10.

Принципиальное отличие КМОП-схем от nМОП-технологии заключается в отсутствии в схеме активных сопротивлений. К каждому входу схемы подключена пара транзисторов с различным типом канала. Транзисторы с каналом p-типа подключены подложкой к источнику питания, поэтому образование канала в них будет происходить при достаточной большой разности потенциалов между подложкой и затвором, причем потенциал на затворе должен быть отрицательным относительно подложки. Такое состояние обеспечивается подачей на затвор потенциала земли (т.е. логического 0 ). Транзисторы с каналом n-типа подключены подложкой к земле, поэтому образование канала в них будет происходить при подаче на затвор потенциала источника питания (т.е. логической 1 ). Одновременная подача на такие пары транзисторов с разным типом каналов логического нуля или логической единицы приводит к тому, что один транзистор пары обязательно будет открыт, а другой закрыт. Таким образом, создаются условия к подключению выхода либо к источнику п итания, либо к земле.

Так, в простейшем случае, для схемы инвертора (рис. 16.10) при А=0 транзистора VT1 будет открыт, а VT2 закрыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал VT1 к источнику питания, что соответствует состоянию логической единицы: F=1 . При А=1 транзистор VT1 будет закрыт (на затворе и подложке одинаковые потенциалы), а VT2 открыт. Следовательно, выход схемы F будет подключен через канал транзистора VT2 к земле. Это соответствует состоянию логического нуля: F=0 .

Логическое сложение (рис. 16.11) осуществляется за счет последовательного соединения p-каналов транзисторов VT1 и VT2. При подаче хотя бы одной единицы единого канала у данных транзисторов не образуется. В то же время благодаря параллельному соединению VT3 и VT4 осуществляется открытие соответствующего транзистора в нижней части схемы, обеспечивающее подключение выхода F к земле. Получается F=0 при подаче хотя бы одной логической 1 – это правило ИЛИ-НЕ.


Рис. 16.11.

Функция И-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения VT1 и VT2 в верхней части схемы и последовательного соединения VT3 и VT4 в нижней части (рис. 16.12). При подаче хотя бы на один вход нуля единый канал на VT3 и VT4 не образуется, выход будет отключен от земли. В то же время хотя бы один транзистор в верхней части схемы (на затвор которого подан логический ноль) будет обеспечивать подключение выхода F к источнику питания: F=1 при подаче хотя одного нуля – правило И-НЕ.


Рис. 16.12.

Краткие итоги

В зависимости от элементной базы, различают различные технологии производства ИМС. Основными являются ТТЛ на биполярных транзисторах и nМОП и КМОП на полевых транзисторах .

Ключевые термины

nМОП-технология полевых транзисторов с индуцированным каналом n-типа.

Буфер на 3 состояния – выходная часть схемы ТТЛ, обеспечивающая возможность перехода в третье, высокоимпедансное состояние.

КМОП-технология — технология производства ИМС на базе полевых транзисторов с каналами обоих типов электропроводности.

Открытый коллектор – вариант реализации буферной части элементов ТТЛ без резистора в цепи нагрузки, который выносится за пределы схемы.

Схемы с активной нагрузкой – схемы ТТЛ, в которых состояние буферной цепи определяется состоянием не одного, а двух транзисторов.

Транзисторно-транзисторная логика – технология производства ИМС на базе биполярных транзисторов.

Принятые сокращения

КМОП – комплементарный, металл, оксид, полупроводник

Набор для практики

Упражнения к лекции 16

Упражнение 1

Вариант 1 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 1 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по nМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 1 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Упражнение 2

Вариант 1 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 2 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 2 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Упражнение 3

Вариант 1 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 3 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 3 к упражнению 3 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Упражнение 4

Вариант 1 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 4 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по nМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 4 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по nМОП-технологии.

Упражнение 5

Вариант 1 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.

Вариант 2 к упражнению 5 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 5 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по КМОП-технологии.

Упражнение 6

Вариант 1 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 6 .Нарисовать схему 3-входового элемента И по ТТЛ-технологии.

Вариант 3 к упражнению 6 .Нарисовать схему 4-входового элемента ИЛИ по ТТЛ-технологии.

Упражнение 7

Вариант 1 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по ТТЛ-технологии.

Вариант 2 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по КМОП-технологии.

Вариант 3 к упражнению 7 .Нарисовать схему элемента 2И-ИЛИ-НЕ по nМОП-технологии.

Упражнение 8

Вариант 1 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ-НЕ с буфером на 3 состояния.

Вариант 2 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента И-НЕ с открытым коллектором.

Вариант 3 к упражнению 8 .Нарисовать схему 3-входового элемента ИЛИ с буфером на 3 состояния.

Логические элементы на МОП-транзисторах — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации: Логические элементы на МОП-транзисторах

Изображение слайда

2

Слайд 2

Разновидности полевых транзисторов Карта входных и выходных полярностей МОП транзисторов

Изображение слайда

3

Слайд 3

МОП-транзисторы с каналом р-типа и их условные изображения: а ) — со встроенным каналом; б ) — с индуцированным каналом

Изображение слайда

4

Слайд 4

Характеристика n -МОП Тип транзистора n- МОП n -МОП Выходные характеристики ПТ с управляющим переходом и каналом n -типа Характеристики транзисторов p -типа имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений (зеркальное отображение в третьем квадранте).

Изображение слайда

5

Слайд 5

Характеристики n -МОП и p -МОП транзисторов

Изображение слайда

6

Слайд 6

p- МОП транзистор Передаточная характеристика Передаточная характеристика n- МОП транзистор

Изображение слайда

7

Слайд 7

р-МОП элемент 2ИЛИ-НЕ Реализация логического элемента 2ИЛИ-НЕ в интегральной схеме R K,Т1 ≥ 100 кОм R K,Т2,Т3 ≤ 1 кОм Логические элементы на p- МОП транзисторах

Изображение слайда

8

Слайд 8

Важнейшие параметры семейства p- МОП Напряжение питания – -12В (от -9 В до -20 В) Энергопотребление на вентиль – 6 мВт при H и 0 мВт при L Быстродействие – 40 нс Частота переключения – 10 МГц макс. Зазор помехоустойчивости – 5 В тип. p- МОП логические элементы работают медленно, но устойчиво. Нуждаются в достаточно большом напряжении питания. Применяются в схемах с низким быстродействием и высокой помехоустойчивостью. Интегральные схемы обладают высокой плотностью упаковки элементов.

Изображение слайда

9

Слайд 9

р-МОП элемент 2И-НЕ р-МОП элемент НЕ Диапазон напряжений

Изображение слайда

10

Слайд 10

Логические элементы на n- МОП транзисторах n -МОП элементы Диапазон напряжений Напряжение питания – +5В Энергопотребление – 2 мВт ( L ) 0 мВт (Н) Быстродействие – 5 нс Максимальная частота – 80 МГц Зазор помехоустойчивости – 2 В.

Изображение слайда

11

Слайд 11

Логические элементы на КМОП транзисторах Схема КМОП НЕ-элемента Принцип действия КМОП НЕ-элемента Все КМОП-элементы устроены так, что в токовой ветви один транзистор всегда закрыт, а другой всегда открыт. Энергопотребление КМОП-элементов крайне низко. Оно зависит в основном от количества переключений в секунду или частоты переключения. Только во время переключения от источника питания потребляется небольшой ток, так как оба транзистора одновременно, но недолго открыты. Один из транзисторов переходит из открытого состояния в запертое и еще не полностью заперт, а другой — из запертого в открытое и еще не полностью открыт. Также должны перезарядиться транзисторные емкости.

Изображение слайда

12

Слайд 12

Изменение потребляемого тока в процессе переключения логического элемента КМОП Мощность изменения энергопотребления ЛЭ КМОП

Изображение слайда

13

Слайд 13

Схема КМОП ИЛИ-НЕ-элемента Схема КМОП И-НЕ-элемента Базовые логические элементы КМОП Схема КМОП НЕ-элемента с тремя состояниями выхода

Изображение слайда

14

Слайд 14

Передаточный логический элемент КМОП (электронный ключ, переключатель) Ключ на n -канальном МОП-транзисторе с индуцированным каналом Принципиальная схема передаточного логического элемента Передаточный элемент работает как переключатель. Рабочая таблица передаточного логического элемента № G 2 G 1 L ≈ 0 В, H ≈ +5В 1 L H R AZ — высокоомный 2 H L R AZ — низкоомный

Изображение слайда

15

Слайд 15

Принципиальная схема Передаточный логический элемент с управляющим элементом НЕ Для того чтобы перевести коммутатор в состояние включено, нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора VT 1 положительное управляющее напряжение U упр, равное, по меньшей мере 2Uo т c, а к затвору транзистора VT 2 – такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения U вх оба МОП-транзистора будут открыты. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы VT 1 и VT2 меняются ролями. Для того чтобы перевести коммутатор в состояние выключено, необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

Изображение слайда

16

Слайд 16

Важнейшие параметры семейства КМОП Передаточные характеристики КМОП U И.П. = +5В +10В (30 ÷ 40% от U И.П. )

Изображение слайда

17

Слайд 17

Специфические особенности микросхем КМОП структуры: чувствительность к статическим зарядам, диодно-резистивная охранная цепочка и малая токовая отдача требуют соблюдения правил предосторожности в применении и обращении. Емкость на выходе и входе. Если на выходе инвертора присутствует конденсатор, в моменты переключений через открытые транзисторы протекают токи заряда и разряда. При больших значениях ёмкости, открытый транзистор работает в режиме близком к короткому замыканию. В обычных условиях емкостная нагрузка не должна превышать 500 пФ. Если ёмкость больше, то надо использовать разрядный резистор для ограничения тока, чтобы был не более 1 ÷ 2 мА. Защита входов от перегрузок. Входное напряжение микросхем КМОП с охранной диодно-резистивной цепочкой на входе для предотвращения отпирания входных диодов в прямом направлении не должно выходить за пределы –0,7В ≤ U вх ≤ U И.П. +0,7В. Иначе также надо использовать токоограничивающий резистор для ограничения тока уровнем 1 ÷ 2мА. Особенности микросхем КМОП структуры Диодно-резистивная охранная цепочка Включение ограничивающих резисторов

Изображение слайда

18

Слайд 18

Неиспользуемые входы КМОП. Их надлежит включать определённым образом, так, чтобы не нарушились условия работы микросхемы в целом. Так же как и в ТТЛ свободные входы объединяют с + U И.П. или общим проводом в зависимости от функции элемента либо объединяют их с другими, задействованными входами. а) б) В случае варианта б) за счёт постоянного смещения отпирание n- канальных транзисторов происходит раньше и общее пороговое напряжение становится меньше, чем в случае а). Поэтому вариант а) более эффективен применительно к помехам, возникающим в общей шине, а вариант б) в отношении защиты от помех, возникающих в шине питания. Входы КМОП микросхем (в отличие от ТТЛ) оставлять свободными недопустимо. Если какой-нибудь вход окажется неподсоединён ным, на нём могут возникнуть непредсказуемые напряжения за счёт наводок и связей через паразитные ёмкости. Следствием этого может быть не только неверное действие микросхемы, но и её повреждение.

Изображение слайда

19

Последний слайд презентации: Логические элементы на МОП-транзисторах

Правила обращения с микросхемами КМОП Микросхемы КМОП структуры нуждаются сравнительно с микросхемами других семейств в более бережном отношении. Это касается как условий монтажа микросхем на платах, так и правил хранения их и эксплуатации в аппаратуре. При обращении с микросхемами КМОП следует соблюдать следующие меры предосторожности: В процессе хранения и транспортировки отдельных микросхем выводы их должны быть соединены между собой; Нельзя производить смену микросхем при включённом напряжении питания; Допустимый электростатический потенциал на входах – не более 100В; Плату со смонтированными микросхемами следует брать за торцы, не касаясь разъёмов; При монтаже тело монтажника должно быть заземлено с помощью проводящего браслета, соединённого с контуром заземления через резистор 500 кОм или вначале коснуться общего провода питания; Необходимо избегать одежды из синтетических материалов; Микросхему следует устанавливать на плату после выполнения всех остальных соединений; Пайку выводов следует вести в последовательности: «общий». «питание», остальные контакты.

Изображение слайда

Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов (рис.1, а)

Кафедра приема, передачи и

Лекция 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Логические функции Математический аппарат, описывающий действия дискретных и цифровых устройств, базируется на алгебре логики, или

Подробнее

Лекция 29. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

97 Лекция 9. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ План. Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).. Элементы КМОП-логики. 3. Основные параметры логических элементов. 4. Выводы.. Элементы транзисторно-транзисторной

Подробнее

10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Общие сведения. Электронный ключ это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

Экзаменационный билет 1

Теоретические вопросы к контролю знаний по дисциплине «Электроника» Вопросы в виде билетов (билеты 1-27 для ЗФО; билеты 1-30 для ОФО) Экзаменационный билет 1 1. Схемы ТЛЭС (транзисторной логики с эмиттерными

Подробнее

Источник: И.П. Степаненко, «Основы микроэлектроники», Лаборатория базовых знаний, 2003

Источник: И.П. Степаненко, «Основы микроэлектроники», Лаборатория базовых знаний, 2003 Реализация элементарных логических функций. Основные логические элементы: НЕ, И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ Таблица истинности:

Подробнее

Одновибраторы на дискретных элементах.

11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей

Подробнее

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические

Подробнее

11.2. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

11.2. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ Мультивибраторы применяются для генерирования прямоугольных импульсов в тех случаях, когда нет жестких требований к их длительности и частоте повторения. Мультивибраторы на дискретных

Подробнее

8. Интегральные логические элементы

8. Интегральные логические элементы Введение В логических элементах биполярные транзисторы могут использоваться в трёх режимах: режим отсечки оба p-n перехода транзистора закрыты, режим насыщения оба p-n

Подробнее

Цифровые устройства И ИЛИ НЕ F 1

Цифровые устройства Цифровые устройства это электронные функциональные узлы, которые обрабатывают цифровые сигналы. Цифровые сигналы представляются двумя дискретными уровнями напряжений: высоким и низким

Подробнее

Цифровые и импульсные устройства

Электроника и МПТ Цифровые и импульсные устройства Импульсные устройства устройства, предназначенные для генерирования, формирования, преобразования и неискаженной передачи импульсных сигналов (импульсов).

Подробнее

15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций

Подробнее

Глава 5. Дифференциальные усилители

Глава 5. Дифференциальные усилители 5. Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений

Подробнее

Задания для индивидуальной работы

Министерство науки и образования РФ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА Кафедра «Радиотехнические устройства» Задания для индивидуальной работы Методические

Подробнее

Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

84 Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План 1. Введение 2. Параметрические стабилизаторы 3. Компенсационные стабилизаторы 4. Интегральные стабилизаторы напряжения 5. Выводы 1. Введение Для работы электронных

Подробнее

Вход Усилитель. Обратная связь

Лекция 5 Тема 5 Обратная связь в усилителях Обратной связью () называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рисунке 4 показана структурная схема усилителя

Подробнее

Триггеры, одновибраторы, мультивибраторы

КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра физических процессов горного производства П.И. ПАХОМОВ Триггеры, одновибраторы, мультивибраторы Методическое руководство

Подробнее

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. Рисунок 1. Рисунок 2

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Методические указания по темам курса Изучение данного раздела целесообразно проводить, базируясь на курсе физики и руководствуясь программой курса. Усилители на биполярных транзисторах

Подробнее

(51) МПК 7 G05D23/19, G05D23/24, H05B1/02

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11)2160920 (13) C2 (51) МПК 7 G05D23/19, G05D23/24, H05B1/02 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Подробнее

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

Лекция 8 Тема: Интегральные усилители 1 Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические

Подробнее

Лабораторная работа 1

Лабораторная работа 1 «Исследование работы транзисторного мультивибратора» Цель работы : Произвести расчет транзисторного мультивибратора на биполярных транзисторах» Цели занятия: 1.Развивающая Развитие

Подробнее

Схемы преобразователей частоты

Лекция номер 10 Схемы преобразователей Никитин Н.П. Классификация схем По типу гетеродина: с отдельным и с совмещённым гетеродином По типу прибора, на котором выполняется смеситель: транзисторные и диодные

Подробнее

6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Двухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Двухтактный трансформаторный УМ представляет собой два однотактных каскада с общими цепями нулевого

Подробнее

8. Генераторы импульсных сигналов

8. Генераторы импульсных сигналов Импульсными генераторами называются устройства, преобразующие энергию постоянного источника напряжения в энергию электрических импульсов. Наибольшее применение в импульсной

Подробнее

Транзисторные элементы серии «Логика-Т»

Транзисторные элементы серии «Логика-Т» В соответствии с ГОСТ.2177 74 установлена следующая структура условного обозначения транзисторных элементов серии «Логика-Т»: Пример условного обозначения транзисторного

Подробнее

Интегральные компараторы

Интегральные компараторы 1 Интегральные компараторы 1. Принцип действия и разновидности Компараторами называются специализированные ОУ с дифференциальным одом и логическим одом, предназначенные для сравнения

Подробнее

Управление амплитудой

с х е м о т е х н и к а Управление амплитудой мощных гармонических и импульсных сигналов Устройства ограничения, регулирования и модуляции амплитуды электрических сигналов используются во многих радиотехнических

Подробнее

5.4. Биполярный транзистор

5.4. Биполярный транзистор Биполярный транзистор это полупроводниковый прибор с двумя p-nпереходами, имеющий три вывода. Управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Подробнее

Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов Болотских Алексей Александрович 10 «А» класс МОУ «СОШ 6 с углубленным изучением отдельных предметов» Научный руководитель: Лавров Алексей Васильевич Изучить теорию и

Подробнее

Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 5.1. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Назначение и классификация усилителей. Усилители переменного напряжения являются наиболее распространенным типом электронных

Подробнее

Цифровые устройства. Электроника и МПТ

Цифровые устройства Электроника и МПТ Цифровые устройства электронные схемы, которые служат для обработки и преобразования цифровых сигналов. Цифровой сигнал импульсы напряжения близкие по форме к прямоугольным.

Подробнее

А.А. Жигальский МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

4 А.А. Жигальский МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу микроэлектроника для студентов специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» 5 ТОМСК

Подробнее

Как логические элементы создаются электронным способом?

Я превратил это в вики сообщества, чтобы мы могли собирать интересные реализации логических элементов, на которые можно ссылаться в будущем.

Для начала вы должны понимать транзисторы простым способом. Я буду иметь дело с CMOS, так как 99% всей логики, которая когда-либо существовала (по количеству), существует как CMOS.

Используются два вида транзисторов, PMOS и NMOS, вот их символы:

Транзисторы являются электрически управляемыми источниками / поглотителями тока. PMOS будет подавать ток (пунктирная линия на диаграмме показывает протекание тока при включении) от источника питания (подключенного к источнику) через сток и другие цепи, когда напряжение затвора НИЖЕ, чем источник. NMOS будет пропускать ток в землю через сток в источник (который в этом случае следует рассматривать как сток).

Пожалуйста, обратите внимание, что для ясности я взял некоторые привилегии с именами.

PMOS обычно подключается к положительному напряжению, а NMOS обычно подключается к отрицательным напряжениям, как правило, к земле.

Интересно, что вы можете сложить устройства для выполнения различных функций. Укладка двух PMOS дает источник тока, который контролируется двумя напряжениями, а укладка двух NMOS дает сток тока, который контролируется двумя напряжениями.

Обратите внимание, что напряжение на А (назовем его А) и В ОБА должно быть ниже + V для протекания тока. Также обратите внимание, что и C, и D должны быть выше, чем Земля (этот забавный заштрихованный треугольный символ), чтобы ток мог быть потоплен (потоплен?). Вы можете сказать: «И А, и В должны иметь низкий уровень для тока, чтобы течь» и «Оба, С и D, должны быть высокими для тока, чтобы течь».

Точно так же, как вы можете «сложить» (на самом деле последовательно), вы можете параллельные устройства.

Вы могли бы сказать, что «либо ИЛИ B может быть низким для тока, протекающего» для PMOS, и вы могли бы сказать, что «или ИЛИ D может быть высоким для тока, протекающего» для схемы NMOS.

Вы заметите, что мы уже используем логический язык для описания функций (И, ИЛИ), поэтому теперь мы можем начать соединять схемы.

Сначала от Инвертора:

Когда Vin находится на земле, PMOS включен и может получать ток, но NMOS выключен и не может потреблять ток. В результате вывод Vout пытается зарядить любую доступную емкость и заряжает эту емкость до тех пор, пока она не достигнет уровня V +.

Аналогично, когда Vin имеет высокий уровень, NMOS включается и может потреблять ток, но PMOS теперь выключен и не может получать ток. в результате вывод Vout пытается снять заряд с любой доступной емкости и разряжает эту емкость, пока не достигнет уровня заземления.

«Высокий» на входе дает «низкий» на выходе, «низкий» на входе дает «высокий» на выходе. Это инвертирует!

Если вы посмотрите на символ как для PMOS, так и для NMOS, то увидите, что затвор выглядит как конденсатор на символе. Это преднамеренно, поскольку МОП-транзистор является конденсатором, и именно эта емкость заряжается и разряжается во время работы. Ток — это поток заряда за время, а емкость — накопление заряда на напряжение. Транзисторы превращают напряжение затвора в управляемые токи, которые затем заряжают и разряжают ёмкости затвора, которые превращают изменение заряда обратно в изменение напряжения.

Теперь для первых двух входных вентилей вентиль NAND:

«Стек» NMOS будет когда-либо потреблять ток только при одном условии, и именно тогда ОБА и А высоки. Обратите внимание, что для этого условия, что ОБА PMOS выключены (то есть не источник тока). Таким образом, в этом состоянии Vout будет поглощать ток, а Vout будет низким.

Во всех других условиях по крайней мере один из PMOS будет иметь ток источника, а стек NMOS не сможет потреблять ток. Затем выход заряжается и Vout = высокий.

A B Out
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Эта таблица истинности показывает, что если нет (A & B) AKA NAND. 0 = gnd, 1 = V +.

Чтобы превратиться в логический элемент И, вам просто нужно инвертировать вывод.

И это таблица правды:

A B Out
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

И рядом с воротами NOR

Я надеюсь, что к настоящему времени вы сможете сами получить таблицу правды.

C D Out
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

Существует приятная симметрия от NOR до NAND. структура является простой инверсией.

Теперь ИЛИ

и таблица правды

C D Out
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Расширение конструкций до входов более высокого порядка легко, как показано NAND с 3 входами.

Размещая NMOS и PMOS в последовательных / параллельных комбинациях, вы можете реализовать различные логические функции на уровне транзистора. Это часто делается для эффективности области, эффективности использования энергии или даже для скорости. Эти функции не обязательно должны быть функциями AND, OR или Xor. Следующее известно как логический элемент И / ИЛИ:

и имеет следующую таблицу истинности.

C A B Out
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1

Как минимум, вы думаете, что это единственный способ реализовать эти функции, я представлю устройство, которое называется шлюзом передачи.

И ворота NMOS, и PMOS должны находиться в оппозиции, чтобы работать должным образом.

Вот пример схемы того, что вы можете сделать с помощью дополнительной NMOS.

Здесь / A = Не (A) в цифровой логике

A + B = A ИЛИ B

A * B = A И B

Таким образом, вы можете видеть, что только используя 3 транзистора вы можете реализовать A ИЛИ B. Будьте предупреждены, хотя эта схема имеет серьезные побочные эффекты и обычно не используется. Но это все же показательно.

Вот целая коллекция логических функций на основе TG:

Существует также Pass-Transistor-Logic или PTL. Пример такого:

Транзисторы и логические схемы на основе металлических наночастиц и ионных градиентов

  • Шокли В. Теория p–n-переходов в полупроводниках и p–n-переходных транзисторах. Белл Сист. Тех. J. 28 , 435–489 (1949).

    Артикул Google ученый

  • Shockley, W. Униполярный «полевой» транзистор. Проц. IRE 40 , 1365–1376 (1952).

    Артикул Google ученый

  • Сзе, С.M. & Ng, KK Physics of Semiconductor Devices (John Wiley & Sons, 2007).

  • Hills, G. et al. Современный микропроцессор, построенный из комплементарных транзисторов из углеродных нанотрубок. Природа 572 , 595–602 (2019).

    Артикул Google ученый

  • Талапин Д.В. и Мюррей С.Б. Твердые нанокристаллы PbSe для n- и p-канальных тонкопленочных полевых транзисторов. Наука 310 , 86–89 (2005).

    Артикул Google ученый

  • Радисавлевич Б., Раденович А., Бривио Дж., Джакометти В. и Кис А. Однослойные транзисторы MoS 2 . Нац. нанотехнологии. 6 , 147–150 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Лин, З. и др. Двумерные полупроводники, пригодные для обработки, для высокопроизводительной электроники большой площади. Природа 562 , 254–258 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Гейм А. К., Новоселов К. С. Возникновение графена. Нац. Матер. 6 , 183–191 (2007).

    Google ученый

  • Qiu, C.G. et al. Масштабирование комплементарных транзисторов из углеродных нанотрубок до длины затвора 5 нм. Наука 355 , 271–276 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Димитракопулос, К.D. & Malenfant, PRL Органические тонкопленочные транзисторы для электроники большой площади. Доп. Матер. 14 , 99–117 (2002).

    Артикул Google ученый

  • Wang, S.H. et al. Электроника кожи из масштабируемого изготовления массива транзисторов с возможностью растяжения. Природа 555 , 83–88 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Роткин С.В. и Гесс, К. Возможность металлического полевого транзистора. Заяв. физ. лат. 84 , 3139–3141 (2004).

    Артикул Google ученый

  • Новоселов К.С. и др. Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Наука 306 , 666–669 (2004).

    Артикул Google ученый

  • Лю, К. и др.Цельнометаллический высокопроизводительный полевой транзистор на основе телескопических углеродных нанотрубок: исследование ab initio. J. Phys. хим. C 115 , 6933–6938 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Биттон О., Гутман Д. Б., Берковиц Р. и Фридман А. Множественная периодичность в одноэлектронном транзисторе на основе наночастиц. Нац. коммун. 8 , 402 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Макаренко К.С. и др. Одноэлектронные транзисторы снизу вверх. Доп. Матер. 29 , 1702920 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Кумар А. и Дубей Д. Одноэлектронный транзистор: области применения и ограничения. Доп. Электрон. электр. англ. 3 , 57–62 (2013).

    Google ученый

  • Фельдхейм, Д. Л. и Китинг, К.D. Самостоятельная сборка одноэлектронных транзисторов и связанных с ними устройств. Хим. соц. Ред. 27 , 1–12 (1998).

    Артикул Google ученый

  • Наканиши, Х. и др. Динамические внутренние градиенты контролируют и направляют электрические токи в наноструктурированных материалах. Нац. нанотехнологии. 6 , 740–746 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Чжао, X.и другие. Наночастицы заряженных металлов для хемоэлектронных схем. Доп. Матер. 31 , 1804864 (2019).

    Артикул Google ученый

  • Ян Ю., Уоррен С. К., Фуллер П. и Гжибовски Б. А. Хемоэлектронные схемы на основе металлических наночастиц. Нац. нанотехнологии. 11 , 603–608 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Чо, Э.С. и др. Сверхчувствительное обнаружение токсичных катионов по изменению туннельного тока через пленки полосатых наночастиц. Нац. Матер. 11 , 978–985 (2012).

    Артикул Google ученый

  • Чжао, X. и др. Переключаемые градиенты противоионов вокруг заряженных металлических наночастиц позволяют принимать радиоволны. Науч. Доп. 4 , eaau3546 (2018).

    Артикул Google ученый

  • Бруст, М., Бетелл Д., Шиффрин Д. Дж. и Кили С. Дж. Новые золото-дитиоловые наносети с неметаллическими электронными свойствами. Доп. Матер. 7 , 795–797 (1995).

    Артикул Google ученый

  • Terrill, R.H. et al. Монослои в трех измерениях: ЯМР, МУРР, термические и электронные исследования кластеров золота, стабилизированных алкантиолом. Дж. Ам. хим. соц. 117 , 12537–12548 (1995).

    Артикул Google ученый

  • Вульфинг, В. П., Грин, С. Дж., Пьетрон, Дж. Дж., Клиффел, Д. Э. и Мюррей, Р. В. Электронная проводимость твердотельных, смешанно-валентных, защищенных монослоем кластеров Au. Дж. Ам. хим. соц. 122 , 11465–11472 (2000).

    Артикул Google ученый

  • Зуауи М.Дж., Найт-Али Б., Гландут Н. и Смит Д.S. Влияние влажности на диэлектрическую проницаемость и электрический импеданс мезопористой циркониевой керамики. Дж. Евро. Керам. соц. 36 , 163–169 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Zabet-Khosousi, A. & Dhirani, A.A. Перенос заряда в сборках наночастиц. Хим. Ред. 108 , 4072–4124 (2008 г.).

    Артикул Google ученый

  • Стоянович М.Н. и Стефанович, Д. Полусумматор на основе дезоксирибозима. Дж. Ам. хим. соц. 125 , 6673–6676 (2003 г.).

    Артикул Google ученый

  • Senturia, SD & Wedlock, BD Электронные схемы и приложения (John Wiley & Sons, 1975).

  • Аналоговая схема — не только транзисторы

    Посмотрите на любую схему аналоговой микросхемы КМОП, и вы увидите символы NMOS- и PMOS-транзисторов, а также резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.Вы также увидите провода, соединяющие символы вместе, которые определяют соединение цепи. На базовом уровне создание макета схемы представляет собой процесс рисования кремниевой геометрии для этих символов и их соединения проводами. В большинстве случаев геометрия символов определяется параметризованным кодом в форме Cadence PCells или iPDK PyCells. Затем верстальщик обычно рисует соединительные провода от руки.

    Но, кроме символов и проводов схемы, есть еще несколько структур, которые должен создать макетчик, чтобы схема действительно работала.Некоторые из этих дополнительных структур показаны на схеме, некоторые добавляются к схеме позже в процессе, называемом обратной аннотацией, а некоторые структуры никогда не отображаются на схеме, и их существование должно подразумеваться проектировщиками. Принципиальные схемы не являются подробными чертежами, а больше похожи на архитектурные эскизы схемы. Роль дизайнера компоновки состоит в том, чтобы использовать свое обучение и опыт для интерпретации схемы для создания удачной компоновки. Давайте посмотрим на некоторые из этих дополнительных структур и на роль, которую они играют.

    Колодцы, краны и защитные кольца.

    Большинство процессов CMOS построены с объемной подложкой P-типа, а устройства NMOS созданы путем имплантации геометрии истока и стока N-типа. Для создания устройства PMOS необходима область материала N-типа. Материал N-типа называется N-колодцем и окружает геометрию истока и стока P-типа, создавая канал MOSFET. N-скважина должна быть нарисована в макете. Обычно он включается в код pcell/pycell, но разработчик компоновки отвечает за расширение этой области за пределы отдельных транзисторов и создание непрерывной N-колодцы вокруг группы устройств.

    Производительность MOSFET-транзистора очень чувствительна к потенциалу N-колодца и массива P-типа (и на глубоких N-колодцах обрабатывает P-колодец). Накопление заряда в кармане изменяет характеристики транзистора и требует тщательного контроля, обычно (но не всегда) путем обеспечения хорошего электрического соединения кармана с питанием для N-колодца и землей для P-колодца. хорошо. Это соединение достигается за счет вставки в компоновку отводов и/или защитных колец. Защитный кожух — это, по сути, кольцеобразный отвод, который охватывает транзисторы.Отводы и защитные кольца также снижают вероятность защелкивания, когда между шинами питания формируется путь с низким импедансом, создающий опасный для жизни высокий ток в цепи.

    Устройства PMOS и NMOS с отводами

    В дополнение к сохранению потенциала скважины защитные кольца также помогают изолировать чувствительные устройства от воздействия потока заряда и электрических помех от других частей цепи. По этой причине защитные кольца очень широко используются в аналоговых конструкциях.Типичный четырехвыводной схемный символ полевого МОП-транзистора указывает на подключение колодца, но отводы и структуры защитного кольца на схеме не показаны. Верстальщики должны знать, как и куда их вставлять.

    Перемычки и диоды

    Другим примером важных структур компоновки, которые не показаны на схеме, является вставка перемычек и/или диодов для защиты от так называемых антенных эффектов.

    Процесс изготовления ИС включает множество итераций нанесения материала, маскирования и плазменного травления.Каждая итерация добавляет слой материала, а затем удаляет излишки с помощью высокоэнергетической плазмы. По мере наращивания слоев возникают ситуации, когда длинная металлическая дорожка соединяется только с затвором MOSFET. Эти длинные дорожки собирают заряд плазмы, которая не может «убежать» через оксидный слой затвора на подложку. Если на затворе накапливается достаточный заряд (и, следовательно, потенциал), это может привести к разрушению тонкого оксидного слоя, повреждению или разрушению MOSFET. Этой проблемы можно избежать, добавив в схему перемычки и/или диоды.

    Перемычка для разрыва антенны

    Перемычка разрывает длинную дорожку рядом с воротами, уменьшая заряд, который может накапливаться во время изготовления, ниже безопасного предела. Перемычка сконструирована таким образом, что длинная дорожка подключается к затвору только после того, как она также подключена к диффузионному контакту, который затем позволяет рассеивать заряд посредством диффузии на подложку. В качестве альтернативы диод с обратным подключением можно разместить рядом с затвором. Вместо того, чтобы уменьшать эффект антенны, диод позволяет безопасно рассеять заряд во время изготовления, но оказывает минимальное влияние на транзистор во время работы.

    Устройства-пустышки

    Многие процессы требуют, чтобы дизайнеры вставляли макеты в макет, если им нужны соответствующие устройства. Более поздние процессы требуют фиктивных элементов в конце каждой «строки» для всех устройств. Манекены помогают гарантировать, что каждое устройство в соответствующей группе (например, токовое зеркало) имеет одинаковую геометрию при вытравливании в кремнии. Оптические искажения, возникающие из-за субволнового паттерна, сводятся к минимуму за счет повторяющихся паттернов в макете. Инженеры-технологи могут в некоторой степени использовать такие методы, как оптическая коррекция процесса (OPC), но лучше создать схему с однородным рисунком.Там, где эти шаблоны меняются, кремний больше всего отклоняется от нарисованного макета. Вставляя макеты вокруг совпадающих структур, дизайнеры макетов расширяют шаблон, а это означает, что согласованные устройства находятся внутри ядра выгравированного шаблона.

    Вторая причина, по которой манекены помогают согласованию, заключается в уменьшении некоторых других типов LDE. Например, манекены уменьшают эффект близости колодца, увеличивая расстояние согласованных устройств от края колодца.

    Влияние близости скважины на пороговое напряжение устройства

    Устройства-пустышки обычно не появляются на исходной схеме, но, в отличие от других структур, упомянутых в этой статье, после того, как компоновка завершена, муляжи должны быть снова аннотированы на схеме.Устройства-пустышки — это полные, но нефункциональные транзисторы, которые обнаруживаются инструментами LVS и должны учитываться.

    Инженеры-схемотехники не могут полагаться только на моделирование схем для проверки своих цепей. Извлечение топологии и полное паразитное моделирование необходимы для проверки любой аналоговой схемы. Но создание высококачественного макета из схемы далеко не простой процесс. Эта статья была кратким введением в «другие» вещи, которые необходимо включить в компоновку типичного аналогового блока, но которые не являются частью схемы.Все эти структуры играют решающую роль в изготовлении, работе и производительности схемы.

    В следующий раз я более подробно рассмотрю, как эти структуры реализованы в макете CMOS, а также некоторые компромиссы, которые разработчик макета должен учитывать при их включении в макет.

    (PDF) Уменьшение количества транзисторов в цифровых схемах с помощью эволюционного дизайна на уровне затвора

    6. ВЫВОДЫ

    В этой статье мы наглядно продемонстрировали, что эволюционный дизайн цифровых схем, который проводится на уровне затвора

    уровень способен производить конкурентоспособные схемы на уровне

    транзисторов.Были предложены новые реализации сумматоров и основных схем

    , которые используют нетрадиционные логические элементы И-НЕ/НЕ и

    ИЛИ/НЕ-И. Будущая работа будет посвящена поиску тех «нетрадиционных» компонентов

    , на которые не обращали внимания в прошлом, но которые могут служить

    в качестве компактных строительных блоков для эволюционного проекта

    , проводимого на уровне ворот.

    Благодарности

    Эта работа была частично поддержана Грантовым агентством

    Чехии по контракту №.06.10.0599 Методы проектирования полиморфных цифровых схем и исследования

    План № МСМ 0021630528 — Исследования, ориентированные на безопасность в

    Информационные технологии.

    7. ССЫЛКИ

    [1] Т. Аоки, Н. Хомма и Т. Хигучи. Эволюционный

    Синтез структур арифметических схем. Artificial

    Intelligence Review, 20(3–4):199–232, 2003.

    [2] Д. Чен, Т. Аоки, Н. Хомма, Т. Терасаки и

    Т. Хигучи. Графический эволюционный дизайн

    арифметических схем.IEEE транс. on Evolutionary

    Computing, 6(1):86–100, 2002.

    [3] К.-Х. Ченг и В.-К. Се. Высокоэффективный 3-входовой

    XOR для низковольтных маломощных высокоскоростных

    приложений. В проц. первой конференции IEEE Asic Pacific

    по ASIC, стр. 166–169, Сеул, Корея,

    1999. IEEE Computer Society.

    [4] Т. Гордон и П. Бентли. Развивающееся оборудование. В

    А. Зомая, редактор, Handbook of Nature Inspired и

    Innovative Computing, страницы 387–432.Springer

    Verlag, 2006.

    [5] A. Keane, M.J. Streeter, and W. Mydlowec. Генетика

    Программирование IV: рутинное человеческо-конкурентное

    Машинный интеллект. Springer, New York, 2004.

    [6] Д. Э. Кнут. Искусство компьютерного программирования:

    Сортировка и поиск (2-е изд.). Addison Wesley,

    1998.

    [7] Дж. Р. Коза, Ф. Х. Б. III., Д. Андре и М. А. Кин.

    Генетическое программирование III: Дарвиновское изобретение и

    Решение проблем.Morgan Kaufmann Publishers, San

    Francisco, CA, 1999.

    [8] J. Langeheine. Внутренняя эволюция аппаратного обеспечения на уровне транзисторов

    . Кандидатская диссертация, Рупертус Карола

    Гейдельбергский университет, 2005.

    [9] Дж. Миллер, Д. Джоб и В. Васильев. Принципы

    Эволюционное проектирование цифровых схем – Часть I.

    Генетическое программирование и развивающиеся машины,

    1(1):8–35, 2000.

    [10] Дж. Миллер и С. Смит.Избыточность и

    вычислительная эффективность в декартовом генетическом

    программировании. IEEE Transactions on Evolutionary

    Computation, 10(2):167–174, 2006.

    [11] Дж. М. Кинтана, М. Дж. Аведильо, Р. Хименес и

    Э. Родригес-Вильегас. Практические недорогие реализации функций пороговой логики cpl

    . В проц.

    11-го симпозиума ACM Great Lakes по СБИС

    2001, страницы 139–144, Уэст-Лафайет, Индиана, США,

    2001.АКМ.

    [12] A. Stoica, D. Keymeulen, A. Thakoor, T. Daud,

    G. Klimech, Y. Jin, R. Tawel и V. Duong.

    Эволюция аналоговых схем на программируемых пользователем

    Транзисторных массивах. В проц. конференции NASA/DoD

    2000 г. по развиваемому оборудованию, стр. 99–108,

    , Пало-Альта, Калифорния, 2002 г. Компьютерное общество IEEE.

    [13] Э. Стомео, Т. Калганова и К. Ламберт.

    Обобщенная дизъюнктивная декомпозиция для Evolvable

    Оборудование.IEEE Transactions on Systems, Man, and

    Cybernetics – Part B, 36(5):1024–1043, 2006.

    [14] А. Томпсон. Кремниевая эволюция. В проц. Genetic

    Programming GP’96, стр. 444–452. MIT Press, 1996.

    [15] В. Васильев и Дж. Ф. Миллер. Проблемы масштабируемости эволюции цифровых схем

    . В проц. 2000

    NASA/DoD Conference on Evolvable Hardware, стр.

    55–64, Пало-Альта, Калифорния, 2000. IEEE Computer Society.

    [16] Дж.Уэйкерли. Цифровой дизайн: принципы и практика.

    Prentice-Hall, 2000.

    [17] Н. Весте и Д. Харрис. CMOS VLSI Design: A

    Circuits and Systems Perspective (3-е издание).

    Addison Wesley, 2004.

    [18] X. Yao and T. Higuchi. Обещания и проблемы

    Evolvable Hardware. IEEE Transactions on Systems,

    Man, and Cybernetics, 29(1):87–97, 1999.

    [19] Р. Зебулум, М. Пачеко и М. Велласко.

    Эволюционная электроника – автоматическое проектирование электронных схем и систем

    с помощью генетических алгоритмов

    .CRC Press International Series on

    Computational Intelligence, 2002.

    [20] С. Чжао и Л. Цзяо. Многоцелевой эволюционный

    дизайн и открытие знаний о логических схемах на основе

    адаптивного генетического алгоритма. Genetic

    Programming and Evolvable Machines, 7(3):195–210,

    2006.

    [21] N. Zhuang and W. Haomin. Новый дизайн полного сумматора

    CMOS. Журнал IEEE твердотельных схем,

    7 (5): 840–844, 1992.

    [22] Р. Циммерманн и Р. Гупта. Логика с низким энергопотреблением

    стиля: Cmos vs cpl. В материалах 22-й Европейской конференции по твердотельным схемам

    , стр.

    112–115, Невшатель, Швейцария, 1996 г.

    Как выбрать

    <Выбор транзисторов для обеспечения безопасной работы> | Основы электроники

    При работе транзистор испытывает электрические и тепловые нагрузки. Срок службы транзистора будет коротким, если такие нагрузки превышают максимальные допуски, которые могут привести к поломке транзистора в худшем случае.Чтобы избежать этого, настоятельно рекомендуется проверить, есть ли какие-либо проблемы с управлением транзистором на этапе проектирования.

    В этом разделе мы объясним метод определения того, можно ли использовать выбранный транзистор или нет. Пожалуйста, внимательно изучите этот материал, чтобы избежать потенциальных проблем и научиться безопасно использовать транзисторы.

     

    Перед суждением: от выбора до монтажа

    Выбор транзистора

    Вы можете найти транзистор в нашем веб-каталоге и кратком каталоге.

    Получить образцы и спецификации

    Образцы можно приобрести на веб-сайте ROHM. Наличие образцов для чистой покупки постоянно расширяется.

    Установка транзистора на оценочную плату или функциональная проверка

    Контрольные точки:

    • Убедитесь, что выбранный транзистор надежно работает в реальной схеме.
    • Проверить, стабилен ли выбранный транзистор (т. е. работа в течение длительного периода времени обеспечивает надежность)
    • Допустимая погрешность в конечной цепи не мешает цепи

    Оценка: годен или нет Можно или нет использовать выбранный транзистор, это должно быть сделано на основе следующих шагов.

     

    Измерение фактической формы кривой тока и напряжения

    Подтверждение тока и напряжения

    Сначала проверьте с помощью осциллографа ток и напряжение, подаваемые на транзистор. Перечисленные в таблицах характеристики должны соответствовать измеренным значениям, перечисленным ниже параметрам следует отдавать приоритет.

    Приоритетные товары:

    9
    Transiter Type Напряжение Ток Ток Turgle
    Биполярный транзистор Коллектор-эмиттер Напряжение: VCE Коллектор Текущий: IC
    Цифровой транзистор Выходное напряжение: VO (GND-OUT) Выходной ток: IO
    MOSFET Сливное источнее напряжение: VDS DORAIN Ток: ID

    Пример: Wavingform При переключении 2SD2673 (100 мкС / ДИД)


    Абсолютный максимальный рейтинг, наблюдаемый все время?

    Подтверждение абсолютного максимального номинала

    Проверьте, не превышают ли ток и напряжение (подтверждение тока и напряжения) абсолютного максимального номинала, указанного в техпаспорте.В приведенной выше таблице есть элементы, не отмеченные флажком, но все такие непроверенные элементы также должны оставаться ниже абсолютного максимального рейтинга.

    Транзистор не может быть выбран, если пиковый ток или скачок напряжения могут даже на мгновение выйти за пределы диапазона абсолютного максимального номинального значения. В противном случае существует вероятность ухудшения характеристик и разрушения устройства, если оно выходит за пределы абсолютного максимума.

    Пример: техпаспорт 2SD2673 (описание абсолютных максимальных номинальных значений)

    Пример: случай кратковременного нарушения абсолютных максимальных номинальных параметров (NG)


    Используется ли транзистор в SOA?

    Подтверждение безопасной рабочей зоны (SOA*), часть 1

    SOA указывает область, в которой транзистор может безопасно управляться.Однако SOA основан только на одном (One) импульсе. Следовательно, необходимо также проверить, остаются ли все импульсы в пределах SOA, если транзистор управляется повторяющимися импульсами, а также усредненный приложенный ток, который должен быть рассчитан в (Подтверждение области безопасной эксплуатации (SOA) — Часть 2), остается в пределах допустимого диапазона. номинальная мощность.

    *1 Также называется ASO (зона безопасной эксплуатации).

    Проверка соответствия SOA

    Проверьте, подтверждается ли форма волны в 1. Подтверждении тока и напряжения, остается ли она в пределах SOA.Оценка NG (транзистор не используется) должна быть сделана, если пусковой/пиковый ток или скачок напряжения выходят за пределы абсолютного максимального номинального значения даже на мгновение.
    Также дважды проверьте, что SOA не был нарушен, даже если кривая в подтверждении абсолютного максимального рейтинга находится в пределах абсолютного максимального рейтинга, лучше перестраховаться, чем сожалеть. (См. пример ниже.)

    Пример: 2SD273 БЕЗОПАСНАЯ РАБОЧАЯ ЗОНА


    Ухудшаются ли характеристики использования TR в рамках SOA в зависимости от температуры окружающей среды*1?

    *1 Температура окружающей среды, в которой используется TR, или температура кристалла, когда температура TR повышается за счет его нагрева.

    Подтверждение зоны безопасной эксплуатации (SOA), часть 2

    Обычно SOA определяется комнатной температурой (25 градусов).

    Способы отражения снижения номинальных характеристик в графике SOA:
    ・Bipolar TR / DIgital TR
    ・MOSFET
    *Температура, требующая снижения номинальных характеристик, в основном соответствует температуре кристалла.


    Метод снижения номинальных характеристик SOA по температуре

    SOA (безопасная рабочая зона)

    SOA (безопасная рабочая зона) требует снижения номинальных характеристик по температуре, когда температура окружающей среды превышает 25 град.или температура кристалла повышается за счет нагрева самого транзистора. Температура снижения номинальных характеристик — это температура окружающей среды для первого и температура кристалла для второго. Чтобы быть конкретным, линию SOA необходимо сместить в сторону, где ток меньше. Коэффициент снижения номинальных характеристик варьируется в зависимости от зоны, как показано на Рис. 1

    Зона ограничения нагрева

    В этой области линия SOA имеет наклон вниз под углом 45°. (Линия постоянной мощности) В этой области коэффициент снижения номинальных характеристик равен 0.8%/град.

    Вторичная область спада

    Для транзисторов существует вторичная область спада из-за перегрева. СОА в этой области имеет наклон более 45° и коэффициент снижения номинальных характеристик 0,5%/град.

    Пример Ta=100 град.

    2-1. Снижение номинальных характеристик в зоне теплового ограничения При температуре окружающего воздуха 100 град.

    Таким образом, решение должно приниматься с учетом смещения линии SOA на 60 % в сторону меньшего направления тока.

    Снижение номинальных характеристик в зоне вторичного спада

    Как и выше, расчет выполняется, как показано ниже.

    Соответственно, решение должно приниматься с учетом смещения линии SOA на 37,5% в сторону меньшего направления тока.


    Непрерывный импульс? Одиночный импульс?

    Одиночный импульс

    Внезапный бросок тока (например, из-за подачи питания) называется одиночным импульсом

    Непрерывный импульс

    В отличие от одиночного импульса, он называется «непрерывным импульсом», если импульсы нагружены многократно. В этом случае проверьте, не ниже ли


    среднее энергопотребление номинальной мощности при температуре окружающей среды?

    Подтверждение, когда мощность ниже номинальной

    Мощность ниже номинальной при температуре окружающей среды = температура кристалла ниже максимальной номинальной 150 град.Номинальная мощность определяется как мощность, которая нагревает кристалл до 150 градусов.

    (Подробности см. в методе расчета температуры кристалла, подготовленном отдельно.

    Метод расчета мощности

    В принципе, усредненная мощность представляет собой значение, полученное в результате деления интегрирования тока и напряжения на время. т. е.

    Теперь рассмотрим, например, следующее поведение при переключении:

    В этом случае расчет следует выполнять путем деления одного цикла на четыре.

    При фактическом расчете интегрирования см. «Формулу интегрирования», подготовленную отдельно.
    В качестве примера выполним расчет формы волны, наблюдаемой в (1. Подтверждение тока и напряжения).

    При ВЫКЛ. —> ВКЛ.


    ВКЛ. период

    При ВКЛ. —> ВЫКЛ. , а потребление тока как 0 (ноль) в состоянии ВЫКЛ.Из приведенного выше расчета, если мы разделим весь результат интегрирования для каждой зоны на 400 мкс, что является продолжительностью цикла, среднее потребление тока будет вычислено как

    . Ранее мы взяли пример биполярного транзистора 2SD2673, чтобы сделать интегрированный расчет тока коллектора Ic и напряжения коллектор-эмиттер Vce. Расчет интегрирования в случае других типов TR может быть, как показано ниже, для получения усредненного потребляемого тока.

    • Цифровой TR : Выходной ток Io и выходное напряжение Vo
    • MOSFET : Id тока стока и напряжение сток-исток Vds
     

    Потери стока для MOSFET).

    Пример: техпаспорт 2SD2673

    В этом случае усредненная потребляемая мощность составляет 0,153 Вт, а потери на коллекторе составляют 0,5 Вт (рекомендуемый участок: стеклянная эпоксидная печатная плата), так что использование этого TR при температуре окружающей среды 25 град.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.