digitális elektronika.pdf

5/28/2018 Digitlis elektronika.pdf

1/19

DIGITLIS ELEKTRONIKA11-1

11. DIGITLIS ELEKTRONIKA

E fejezetben a mikroszmtgpek integrlt ramkri elemeinek villamos tulajdonsgaival,technolgijval s logikai kapcsolsaival foglalkozunk.

11.1. Statikus s dinamikus villamos jellemz!k

11.1.1. Logikai szintek

Az digitlis ramkrkben a logikai "0" s "1" szinteket hordoz fizikai jellemz!legtbbszra feszltsg. Azokat a feszltsgszinteket, melyekhez logikai rtkeket rendelhetnk, logikaiszinteknek nevezzk. Az ramkri megvalsts sorn a valsgban az elemek szrsa,h!mrskleti vltozsok, terhels, stb. miatt a feszltsgszintek helyett feszltsgtartomnyoktartoznak egy - egy logikai szinthez. Pozitv logikai hozzrendels esetn az "1" szinthez

tartozik a pozitvabb feszltsgszint, a "0"-hoz a negatvabb, mg negatv logiknl fordtva.ramkri lersnl gyakran a 0 s 1 helyett szinonim mdonH (High = magas) sL (Low =alacsony) jeleket rendelnk. Az 11.1.brn ezek rtelmezse lthat.

sszefggs

A B YL L LL H HH L HH H H

Pozitv logikaesetn

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1

Negatv logikaesetn

A B Y1 1 11 0 00 1 00 0 0

11.1. bra

11.1.2. Zavarok, zavarvdettsg, transzfer karakterisztika

Elektronikus ramkrknl gyakori behatsknt jelentkezhetnek zavarok, melyek akrnyezetb!l szrmazhatnak (villmls, er!sram vezetkek, stb. okozta hatsok). Ha a


2/19


komparlsi pont, uk a komparlsi feszltsg. u0s u1 a 0s 1szintek tipikus feszltsgtjelentik. Lthat, hogy

uz0=uk- u0ill. uz1=u1- ukaz a zavarfeszltsg, amely mg ppen nem okoz tves kimenetet.Belthat, hogy minl nagyobb e kt rtk, annl nagyobb az ramkr zavarrzketlensge(zavarvdettsge).

uki

ube

u1

uk

u0

u0 uk u1

uz

uki=ube

K

uki=f(ube)

ube=u0+uz

11.2. bra

11.1.3. Meghajtkpessg (Fan-out)

Az integrlt ramkrk ltalban egy sszetettebb kapcsols rszelemei. Az egyik elemkimenete a msik elem bemenetre kapcsoldik. Minden digitlis ramkr bemenete bemenetiimpedancijval terhelst jelent az azt megel!z!fokozat kimenetre nzve. Azt, hogy egyadott kimenet - a specifikcik megtartsa mellett - hny szabvnyos bemenetet(az adott logikra jellemz! n egysgterhelst = fan in t) tud meghajtani fan out nak


3/19


11.1.4. Jelterjedsi id!(propagation delay)

Az ramkrk vges m"kdsi sebessge miatt a bemeneti jel megvltozst csak vgesid!vel kveti a kimeneti jel megvltozsa. S!t, ltalban a kimenetH!L sL!H vltozsasem ugyanannyi id!alatt zajlik le. El!bbit tpHL-lel (vagy tpdo-lal), utbbit tpLH-val (vagy tpd1-gyel) jelljk . A jelterjedsi id!fogalmt a kt id!szmtani tlagval definiljuk (ld. 11.3.bra).:

tt t

pdpd pd

=+0 1

2

100%

50%

0%

ube

t

100%

50%

0%

uki

t

tpd0tpd1


4/19


megvltozsa miatt az ramkr llapota, kimenetnek llapota megvltozik) disszipcija.El!bbi a statikus, mg utbbi a dinamikus disszipci.

11.1.6. Jsgi tnyez!

ltalban technolgik ill. ramkri logikk (ld. ks!bb) hasznljk. Az adott technolgiavagy ramkri logika jellemz!s elemi egysgnek (pl. NAND vagy OR kapu), kapujadisszipcijnak s jelksleltetsi idejnek szorzataknt ( Pd" tpd ) definiljuk a jsgi

tnyez!t. Mivel mind a disszipci mind a jelksleltetsi id!minl kisebb rtke a kedvez!,gy annl jobb a logika, technolgia, minl kisebb a jsgi tnyez!. E kt villamos paramter

azonban ltalban egymstl fggetlenl nem mdosthat, az egyik javtsa gyakran a msikrovsra megy (erre pldt a ks!bbiekben is ltni fogunk), ezrt rtkk tbbnyirekompromisszum eredmnye.

11.2. Digitlis integrlt ramkrk (gyrtstechnolgia)

A digitlis technikai hlzatok integrlt ramkri megvalstsa a 60-as vekt!l kezd!d!envlt lehet!v. Az igazn hasznlhat els!integrlt ramkrk a mg ma is kzkedvelt TTL(Transistor-Transistor-Logic : tranzisztor-tranzisztor-logika) ramkrk els!reprezentnsai.Az integrlt ramkrrendszerekben hossz ideig csak az n. bipolris tranzisztorokathasznltak, az utbbi kt vtizedben azonban el!trbe kerltek az n. MOS tranzisztorosintegrlt ramkrk.Az integrlt ramkri gyrtstechnolgik rszleteire nem kivnunk itt kitrni, most csak altez!tpusok vzlatos sszefoglalsra szortkozunk.A digitlis integrlt ramkrknl - s minl nagyobb az integrltsg foka annl jellemz!bb ez- a sok egyforma kapcsolelem (aktv elem, tranzisztor) megvalsthatsga az els!dleges. A

passzv elemek nagypontossg megvalstsa kevsb fontos szempont. E szempontokalapjn kell eldnteni, hogy az albbi hrom technolgia kzl melyik alkalmazsa jhetszba.

11.2.1. Szigetel!alap integrlt ramkrk

A szigetel!alap integrlt ramkrk ktfle tpusa ltezik: a vkonyrteg s a vastagrtegintegrlt ramkrk.

A vkonyrteg ramkrknl az alaplemez veg vagy kermia lemez Erre a lemezre


5/19


rendelkezik. Ugyancsak az el!z!technolgihoz hasonlan itt is drgk a beltetett elemek sa miniatrizls korltokba tkzik.

Az elmondottak miatt a fenti kt gyrtstechnolgia nem alkalmas digitlis integrltramkrk ltrehozsra. (Megjegyezzk, hogy a nyolcvanas vek kzept!l ismt el!trbekerlt a szigetel!alap gyrtstechnolgia, a felletszerelt technolgia-technika (SMT)alkalmazza ismeretanyagt.A kvetkez!alfejezetben a harmadik, a monolit integrlt ramkri gyrtstechnolgia kerl

bemutatsra

11.2.2. Monolit integrlt ramkri technolgia

A flvezet!alap monolit integrlt ramkri gyrtstechnolgiknl - ma mg leggyakrabban- alaplemezknt szilcium egykristlyt alkalmaznak. Ezutn egymst kvet!n. diffzistechnolgiai lpsekkel hozzk ltre a tranzisztorokat, didkat, ellenllsokat, stb. Enagyh!mrsklet"technolgiai lpsekkel horizontlis s vertiklis struktrkkal(geometrikkal) jnnek ltre az elemek s az azokat sszekt! "vezetkek. Kapacitsok isltrehozhatk, zrirnyba el!fesztett p-n tmenetekkel, de ezek rtkpontossga nehezenkzbentarthat, s az elrhet!kapacits-rtkek kicsik.A monolit integrlt ramkrkben nagyszm tranzisztor, dida hozhat ltre kis felleten(trfogatban) s fajlagosan olcsn. Igen pontosan ismtelhet!k (reproduklhatk) azramkrk s paramtereik, mivel minden alkatelemet egyszerre, ugyanazon technolgiailps-sorozattal lltunk el!.

Az ellenllsok kevsb jl realizlhatk, mint a szigetel!alap integrlt ramkritechnolgikban. Parazita ramkri elemek jelennek meg : ezek els!sorban az egyesalkatelemek szigetelst megvalst p-n tmenetek parazita kapacitsai. A technolgiamegvalstsa (elindtsa) igen kltsges, az elemgyrts csak nagy sorozat esetn hozza mega fejlesztsi kltsgeket.Ugyanakkor a logikai kapcsolsok megvalstsa - mint emltettk - nagyszm kapcsolelemet (tranzisztort) is ignyelhet. A tranzisztoroknak nagy pontossggal egyformknak kell

lennik, e tnyez!

k egytt csak monolit technolginl rendelkezsre llnak.

Kiindulsi alapul (hordoz) Si egykristly szolgl Az alapkristlyt magas h!mrskletenadalkoljk (szennyezik). A szksges geometria kialaktshoz segdeszkzkntlitogrfiai mdszereket s maratst hasznlnak. Az elemi lpsek a kvetkez!k:

optikai ton maszk ksztse,


6/19


MOS: nagyobb elems"r"sg (nem kell elemek elszigetelsre helyet biztostani, MOS: kevesebb technolgiai lps (a nagyh!mrsklet"fzisokat nehz kzben

tartani), MOS: nagyobb tisztasgi igny a technolgia fel.

E B C

p+ p+

p tpus hordoz

npn

+

SiO2

eltem etett rteg

npnbipolristranzisztor

11.4. bra

p tpus Si hordoz

n+

n+

SGD SiO 2

n tpus vezet csatorna

G

D

S

n tpusnvekmnyes

11 5 bra


7/19


11.3.1. Bipolris logikk

A. A TTL ramkri elemcsaldok

A TTL elemek 1965-ben jelentek meg s hossz ideig egyeduralkodk voltak a digitlistechnika terletn. Ma is tbb tovbbfejlesztett vltozata (pl. LS TTL) elterjedt katalgus-ramkri elem.A kvetkez!kben kiss rszletesebben mutatjuk be a TTL alapramkr m"kdsi elvt.Az alapelem m"kdst gy rthetjk meg legknnyebben, ha az ismert egyszer"stetttranzisztor-modell szerint a tranzisztor BE s BC tmenett didval helyettestjk (11.6.a. s

b. bra). A D1, D2s R1ismert mdon logikai S funkcit valstanak meg, T2s R2pedig -ugyancsak ismert mdon - inverterknt funkcionl. DS dida a T2tranzisztor BE

T2

D2

D 1

R1 R2

DS

+UT

Y=A"B

A

B

11.6.a. bradidjnak nyitfeszltsgt tolja el, ktszerezi meg. A kt szakasz gy egytt NAND kapuszerept ltja el. Az 11.6.b. brn a didk helyett a tnyleges tranzisztorokat tntettk fel. AT1tranzisztor tbb-emitteres, vagyis gy alakthat ki tbb bemenet. A tbb-emitteres

tranzisztor bipolris technolgiban knnyen megvalsthat. Ha a 11.4. brt tekintjk,mindssze aprteget szlesebb kell nyjtanunk, s abba tbb n+zsebet kell kialaktanikivezetssel egytt.

+UT


8/19


A gyakorlatban hasznlt teljes NAND kapu a 11.7. brn lthat. Felismerhet!k az 11.6. brnmegismert NAND kapu elemei: T1,R1 ,T2 sR1(R3-mal kiegsztve), mg T3, D, T4s R4

pedig egy ellentem"er!st!s kimeneteti fokozatot alkot.

A

B T1

T2

R1 R2

+UT

Y

T4

T3

R4

R3

D

4 k 1,6 k

1 k

130

11.7. braA m"kds kimert!bb trgyalstl eltekintnk, de a 11.8. brn - rszletes magyarzatnlkl - bemutatjuk a transzfer karakterisztikt s annak a bemeneti jel (pl. A)feszltsgszintjt!l fgg!ngy szakaszt - a msik bemenetet 1 szint"nek tteleztk fel.

I.(T1, T4vezet, T2, T3lezrt)

II.(T1, T2,T4vezet, T3lezrt)

III.(T1, T2, T3, T4vezet)

Uki[[[[V]]]]

5

4

3

2


9/19


logikai 0szint (L) logikai 1szint (H)

bemenet 0 - 0,8 V 2,0 - 5 Vkimenet 0 - 0,4 V 2,4 - 5 V

11.9.a. bra

Az SN 74.. sorozat elemei szabvny terhelhet!sge ill. terhelse (11.9.b. bra):

logikai 0szint (L) logikai 1szint (H)bemenet -1,6 mA 40 Akimenet 16 mA 400 A

11.9.b. bra

Eszerint a kimenet szabvnyos terhelhet

!

sge (fan-out) ezen ramkrcsaldon bell mindlogikai 1szinten (400A /40A= 10), mind logikai 0szinten (16mA / 1,6mA = 10) N = 10.Az ramkrcsaldra jellemz!jelterjedsi id!:

tpd0= 7..8 nstpd1=11..13 ns,

gy az tlagos jelterjedsi id!

: tpd= 10 ns.A jelterjedsi id!a terhel!kapacits nvekedsvel termszetesen nvekszik.

TTL ramkrknl a szabadonhagyott bemeneteket rtelemszer"en H szintknt rzkeli azramkr, s ez a parazita kapacits miatt ilyenkor csekly mrtkben cskkentheti aztkapcsolsi sebessget. Legclszer"bb a fel nem hasznlt bemeneteket logikai 1 szintre ktni:

pldul ellenllson keresztl a tpfeszltsgre (+5V-ra).Az SN74.. kapuramkrk tpram-felvtele statikus esetben (nyugalomban) a kimenet 1

llapotban 3 mA, 0 llapotban 1 mA, vagyis az tlagos disszipci 10 mW. A jsgitnyez!gy 100 pJ. tkapcsols kzben jelent!s tpram-tranziens lphet fel (0!!!!1ill.1!!!!0vltsnl).

Egy tovbbfejlesztett TTL sorozatnl a kapuramkrk fogyasztsnak cskkentse rdekbenk kb l ll ll k k bb l k ( d f l


10/19


elemi kapu tlagos jelterjedsi ideje 5 ns-ra cskken, a kapunknti fogyaszts ugyanakkor19 mW.

A Low-power (kis-fogyaszts) Schottky 74LS.. sorozat az 74L.. s 74S.. sorozat el!nyeitkvnja egyesteni, gy a 74..-hez kpest kisebb fogyaszts, de a 74L..-hoz kpest nagyobbsebessg hozhat ltre. E csald 9,5 ns-os jelterjedst s 2 mW-os kapunknti fogyasztsteredmnyezett.

Az igen gyors 74F.. (F: Fast) sorozat 1980-ban jelent meg, de magas kltsge miatt nemterjedt el. Jelterjedsi ideje 2,5-3 ns, kapunknti disszipcija 4 mW.

A tovbbfejlesztett Schottky (Advanced Schottky, 74AS..) s kisfogyaszts (Advanced Low-power Schottky, 74ALS..) elterjedtebbek. El!bbit 1,7 ns s 8 mW, utbbit pedig 4 ns s 1,2mW jellemzi.

Az egyes sorozatok jelszint s fan-out vonatkozsban nem teljesen kompatibilisek egymssal.A jelszintek definilsban kicsi az eltrs, afan-out fogalma pedigaz egyesramkrcsaldokon bell rtelmezett. gy pl. az LS TTL-nl megadott 20-as rtk standard

TTL terhelsek esetn csak 5-s fan-out-ot jelent.Ennek megfelel!en klnbz!tpusok sszekapcsolsa esetn megfontolt tervezsre vanszksg.

Ha sok tranzisztor s gy sok kapu kap helyet egy adott trfogatban ez mr jelent!sh!termelst okoz. Ezrt szksgszer"a fajlagos (kapunknti) disszipcit a lehet!legkisebbreszortani. A bipolris technolgiai logikk kivtel nlkl ilyen gondokkal k"zdenek.

Ttelezznk fel csak egy VLSI ramkrt, amely - mai viszonyok kztt sem tl nagy szmotjelent!- 100 ezer 1milli tranzisztort tartalmaz. Ez mg az utoljra emltett ALS sorozattechnolgijt is hasznlva 100 vagy 1000 W nagysgrend"disszipcit jelentene. Ekkoradisszipci egy integrlt chipben nem valsthat meg. Ezrt a bipolris ramkrk els!sorbanaz SSI - LSI kategrikban jtszanak nagy szerepet. Ez a tmakrnk szempontjbl azt

jelenti, hogy mikroszmtgpeknl f!leg kiegszt!, illeszt!, meghajt, stb. funkcikat ltnakel a nagyobb bonyolultsg MOS integrlt ramkrk mellett.

TTL ramkrk esetn mg egy fontos krdsr!l kell szlni, ez a kimenetek tpusai. Aleginkbb hasznlatos kimeneti tpus a mr megismert ellentem", n. totem-pole kimenet.Emellett ltezik s fontos szerepet kap a nyitott kollektoros kimenet is. Ennek megrtsheztekintsk a 11.10.brt. A kimeneti tranzisztor szabadon hagyott kollektora mdot ad arra,hogy tbb kzstett ilyen kimenet sszekttetsvel n. huzalozott S kapcsolatot alaktsunk


11/19


A

B

T1

T2

R1 R2

+UT

R3

T3

C

D

T1

T2

R1 R2

+UT

R3

T3

Rt

Y

11.10. bra

A Texas Instruments cg SN sorozat digitlis integrlt ramkrei tbb h!mrsklet-tartomny kivitelben kszlnek:

SN74... sorozat (norml, kommersz, ipari kivitel) 0 - +70

o

CSN54... sorozat (kiterjesztett ipari kivitel) -25oC - + 85oCSN84... sorozat (katonai kivitel) -55oC - + 125oCAz SN-t kvet!2 szm utn 2 vagy 3 szmjegy kvetkezik, amely a funkcinak megfelel!tpust jelli (pl. 4 db 2 bemenet"S kapu norml ipari kivitelben: SN7400, 2 db jraindthatmonostabil elem katonai kivitelben: SN84123, stb.). Amennyiben valamelyik tovbbfejlesztett


12/19


Ezen alkalmazsok ma mr elgg httrbe szorultak a jobban integrlhat technolgik(MOS) s a szmtgp-architektrk gyors fejl!dse (tbbprocesszoros rendszerek, pipeline

architektrk, Harvard struktra, stb.) miatt.

11.3.2. MOS ramkri logikkA. n-MOS s p-MOS ramkrk

A MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor : fmoxid flvezet!trvezrls"tranzisztor) m"kdsnek trgyalsa nem ezen anyag tmja, annak ismerettfelttelezzk. Azn-csatorns MOS tranzisztort a 11.4. bra mutatta be.

Az n-csatorns MOS tranzisztoroknl az elektronok, ap-csatornsoknl a lyukak az aktvtltshordozk, ezrt ezen elemek kztt 3:1 a mozgkonysg-arny, gy azn-csatorns tpus lnyegesen gyorsabb integrlt ramkrt eredmnyez. A digitlis integrltramkri MOS logikknl a kezdetip-csatorns chipeket teljes mrtkben kiszortottk az n-csatorns chipek (most mg nem beszltnk a CMOS elemekr!l, ahol mindkt tpus egyttkap helyet).A MOS ramkrk bemen!ellenllsa igen nagy (gyakorlatilag vgtelen nagy), mivel a

bemenetet (Gate) szigetel!rteg vlasztja el a tovbbi rszekt!l.

A MOS elemek sebessge ltalban kisebb mint a bipolris elemek. Ennek els!sorban az azoka, hogy nagyobb impedancikkal s (gy) kisebb ramokkal dolgoznak mint a bipolriseszkzk. A szrt s terhel!kapacitsok nagyobb rtk"ek s tkapcsolskor a kis ramokcsak lassabban tudjk e kapacitsokat kistni ill. feltlteni, ezrt kisebb m"kdsi sebessgettesznek lehet!v. A nagy bemeneti impedancia elhanyagolhat bemen!ramot is jelent (pl.nA nagysgrend), gy a dcfan-out fogalma egyenram szempontbl a gyakorlatban nemrtelmezhet!: vagyis a terhelhet!sg egyenram szempontbl nem korltozott. Ugyanakkor

az emltett kapacitv okok miatt sok terhel!bemenet jelent!s sebessgcskkensteredmnyezhet, vagyis az ac fan-outa meghatroz.Kezdetben a MOS elemek 3 tpfeszltsgr!l m"kdtek (+5V, -5V, +12V: pl. i8080mikroprocesszor is:), ami igen knyelmetlen volt. Emellett ez kimeneti kompatibilitsi

problmkat is felvetett (jelszint s terhelhet!sg) az egyb unipolris tpfeszltsg"(pl.TTL) ramkrkhz kapcsoldsnl. A ks!bbi n-MOS elemeknl ez mr csak terhelhet!sgikrdss redukldott, az pedig a kivezetsi pontok helyes tervezsvel egyszer"enorvosolhat.MOS tranzisztoroknl az alapelemet kpez!inverterben a vezrl!(meghajt=driver)tranzisztor s terhels egyarnt aktv elem, tranzisztor. A terhel!tranzisztor s atpfeszltsgek hasznlati mdjtl fgg!en 3 inverter-tpus ltezik: teltses, trida tpus skirtses terhels"inverter (ld. 11.11.a., b. s c. bra).


13/19


n tpusnvekmnyes

n tpus

nvekmnyesA

Y = A

+UT

n tpusnvekmnyes

n tpus

nvekmnyes

A

Y = A

+UT++U T

n tpuskirtses

n tpus

nvekmnyes

A

Y = A

+UT

a. b c. 11.11. bra

Egy n-MOS elemekb!l megvalstott NAND s egy NOR kapu a 11.12. a. ill. b. brn lthat.M"kdsk megrtse egyszer".

C

+UT

A B

Y= A + B + C

11.12.a. bra

+UT

Y = A * B * C


14/19


A MOS kapcsolstechnika fontos el!nye a tri-state elemek knyelmes kialaktsi lehet!sge.Ezt a 11.13. bra alapjn knnyen mi is belthatjuk.

+UT

E

A

A*

11.13. bra

A kimeneti kt tranzisztort nem ellentemben, hanem kln-kln vezreljk, s gy mindkett!kikapcsolsakor (E=1) a kimenet a kvetkez!fokozatokrl le van vlasztva (nagy impedancia

jelenik meg - a kikapcsolt MOS tranzisztorok miatt - a kimeneti pont s brmelyiktpfeszltsg kztt). E=0 esetn pedig A*=A.

B. Komplementer MOS (CMOS) ramkri logikk

A p- s n-tpus MOS ramkrknl a terhel!tranzisztor vezreletlen elemknt funkcionlt.Ha a kt tranzisztor kzl mindig csak egy lenne bekapcsolva, akkor statikus esetben nemfolyik ram a tpfeszltsg s a 0V kztt. Ez pl. gy oldhat meg, hogyha mindkt elemetvezreltt tesszk. gy kapjuk a CMOS logikt, ahol a kt tranzisztor ellenttes tpus: az alsn-, a fels!p tpus (11.14., 11.15. brk).

SGD i D G S

+uT

AA


15/19


p-tpust kikapcsolja s fordtva. Statikus esetben teht nincs ramvezets. (tkapcsolskorugyanakkor egymsbavezets van, vagyis a kt tranzisztor tmenetileg egyszerre lesz nyitva,

ami kvzi rvidzrat jelent a 0 V s a tpfeszltsg kztt. A CMOS ramkr disszipcijateht attl fog fggeni, hogy az elemeket milyen gyakran kapcsoljuk t, gy a dinamikusdisszipci a meghatroz).

p tpus

n tpusA

Y = A

+UT

11.15. bra

A m"kdshez ugyanakkor csak egy tpfeszltsg szksges. A CMOS logika igen nagyel!nye mg a nagy zavarrzketlensg. A komparlsi szint ugyanis kb. a tpfeszltsg felnlvan, a logikai 0 s 1 szintek pedig j kzeltssel a 0 V ill. tpfeszltsg. (A TTL s CMOSramkrk transzfer karakterisztikjt a 11.16. bra hasonltja ssze).

5

4

3

2

uki[V]idelis

karakterisztika

valsgos

CM OS

(bufferelsnlkl)

TTL


16/19


A tpfeszltsg emellett szles hatrok kztt vlaszthat: pl. 3V - 15V. Radsul az ramkrrendelkezik a MOS logikk ltalnos kedvez!tulajdonsgval, hogy a bemeneti impedancia

igen nagy (tbbszz Mohm), gy afan-out-ot csak a kapacitv megfontolsok korltozzk (40-50-es rtk mg relis lehet).

Megjegyzend!azonban, hogy a TTL ramkrkhz kpest a CMOS elemek is lassbbak.

A CMOS logika kt alapkapuja a 11.17. brn lthat. rdekes megfigyelni azt az - egybkntlogikus tulajdonsgot, hogy a vezrl!tranzisztorok ppen ellenttes mdon vannak bektve,mint a terhel!tranzisztorok (soros - prhuzamos).

A

+UT

B

Y=A*B

A

+UT

B

Y=A+B

NAND kapu NOR kapu 11.17. bra

A MOS logikhoz kpest a CMOS logikban ugyanaz a funkci tbb tranzisztorbl(gyakorlatilag csaknem ktszer annyibl) valsthat meg, integrlhatsga kisebb.Ugyanakkor a felsorolt szmos el!ny e htrnyt jelent!sen httrbe szortja, gy a nyolcvanasvek kzept!l a CMOS technika kerlt el!trbe. Ez klnsen igaz a nagyintegrltsg LSI,VLSI, ULSI s"r"sg"chipeknl.A korbban ismertetett TTL ramkrcsaldhoz hasonlan a CMOS elemekre is kialakultramkrcsald, ilyen pl. Philips gyrtotta HEF40.., 45.. vagy RCA vagy Motorola gyrtottaCD4... ill. MC1.... , 74C.., stb. sorozatok. Ezek a csaldok a TTL ramkrkhz hasonlan


17/19


ramkrk jhetnek csak szba. gy nem vletlen, hogy a katalgus-ramkrk csaknemkizrlag SSI s MSI elemekre korltozdnak. Nem kizrt termszetesen, hogy akadnak olyan

funkcik, amelyek nagyobb integrltsgot ignyelnek, s elg sok helyen hasznlhatk ( pl.bizonyos szmllk ), a jellemz!azonban nem ez. A technolgik azonban fejl!dsk sornelrtek egy olyan szintre, ahol nagy s igen nagy bonyolultsg elemek is viszonylag knnyens j kihozatallal llthatk el!(LSI, VLSI, ULSI). Ha katalgus-ramkrt kvnunk ilyen

bonyolultsg elemb!l kszteni, gy az ezt kihasznl alkalmazst is meg kellett tallni.Termszetesen maguktl addtak olyan fel hasznlsok, amelyek vrtak mr erre atechnolgiai lpcs!re: pl. szmtgp hardver (mikroprocesszorok, perifriacsatol, -illeszt!intelligens integrlt ramkrk). Ugyanakkor - mint emltettk - az esetek nagy rszben nemez a jellemz!. Az igny arra, hogy a felhasznl (mrmint ltalban elektronikus eszkzkettervez!-gyrt cg) maga definilja lehet!leg optimlis felpts"ramkrt mr csaknemkezdett!l fogva megvolt. Ugyanakkor a technikai problmk mellett gazdasgi tnyez!k ishtrltattk azt, hogy a felhasznlk konkrtabb beleszlst kapjanak adott ramkri tervkfizikai megvalstsba. Az egyetlen lehet!sg volt katalgus-ramkrkb!l felpteni smegvalstani az sszetettebb funkcit. Termszetesen az is kzrejtszott, hogy aflvezet!gyrtk sem rendelkeztek olyan kapacitsokkal, hogy a katalgus-ramkrk mellett

egyedi ignyeket is ki tudtak volna - gazdasgosan - elgteni.A nyolcvanas vek elejt!l-kzept!l jtt el az az id!szak, amikor minden tnyez!(m"szakis gazdasgi) megrett arra, hogy a felhasznlk kzelebb kerlhessenek a gyrtkhoz. gyesetenknt LSI vagy VLSI kategrij terveiket (melyek funkciinak megvalstsa addigltalban egy egsz nyomtatott ramkri krtyt vagy tbb ilyent tltttek volna meg) egyvagy nhny ramkrrel (IC-vel) rszben vagy teljesen optimalizlva vitelezhettk kiksztermkeikbe (m"szerek s egyb elektronikai kszlkek, berendezsek).

Az ilyen ramkrket felhasznls specifikus ramkrnek (Application Specific IC, ASICill.custom design) nevezzk (11.18. bra).A sorozatszm tbbnyire nem ri el az emltett 105-106nagysgrendet.

A. Egyedi ramkrk

Ha a sorozatszm mgis elri a fenti kszbt, gy termszetesen rdemes megrendelni aflvezet!gyrttl az adott integrlt ramkr gyrtst adott pldnyban. Az elkszlt pldnyegy darabra vettett kltsge nem lesz magas, hiszen a darabszm a katalgus-ramkrkdarabszmval vetekszik, utbbi gyrtsa pedig gazdasgos. Ekkor az ramkrt a definilsifzistl kezdve ugyangy minden lpst a funkcikhoz optimlisan vlasztva tudjk legyrtaniaz egyedi ignyek szerint. Ez a legkltsgesebb s leghosszabb id!t ignybevev!mdszer, dea ksztermk paramtereit tekintve a legjobb. Mivel teljesen a felhasznl definilhatja azramkr s a megvalsts minden rszlett, gy ezt teljesen egyedi ramkrnek (full custom)


18/19


sszekttetst s vgl le kell zrni (be kell tokozni) az IC-t. Az alapelemknt tranzisztorokattartalmaz el!gyrtott IC-t device array-nek nevezzk. Termszetesen ksztenek olyan

flksz chipet is, ahol sszetettebb elemek kpezik az alapelemet (pl. kapuk az alapelemek -gate array, uncommitted logic array=ULA -, vagy cellkat tartalmaz a chip, melyekbenkapuk, flip-flopok, stb. is megtallhatk - cell array).E megolds - mint mindenszvrmegolds (hiszen e megolds kompromisszum eredmnye) el!nykkel shtrnyokkal is rendelkezik a full custom megoldshoz kpest. Szmos ms el!ny (lsdks!bb) mellett egy hallatlanul nagy el!nye azonban a megoldsnak, hogy a felhasznliignyekhez jval kzelebbi kivitelt eredmnyez, mint a merev katalgus-ramkrkkeltrtn!megolds.

gy alakult ki vgl is a katalgus ramkrk mellett jfajta elemek knlata, melyek vagyteljesen a felhasznl ignyeire optimalizltak, egyediek (full custom) vagy kzeltik azokat,rszben egyediek (semi custom).

C. El!tervezett ramkrk

A teljesen egyedi s az el!gyrtott (custom produced) semi custom ramkrk kztthelyezkedik el az n. el!retervezett (el!tervezett, cellaknyvtras,standard cell, librarycustom) semi custom ramkr-tpus. Ez azt jelenti, hogy a szoksos (standard) ramkrirszfunkcik optimlis el!re megtervezsre kerltek s egy knyvtrban ezen elemek atervezshez rendelkezsre llnak. A feladat ezutn csak az, hogy ezen modulokbl sszekell rakni a kvnt funkcit megvalst ramkrt (tervezs), majd le kell gyrtani azt. Mivelitt nem ll rendelkezsre egy flksz termk, gy a megolds valamivel hosszabb id!t vesz

ignybe, mint az el!gyrtott megvalsts. Ugyanakkor jobban kzelti az optimlismegoldst.Termszetesen a full customnl gyorsabban nyerhetnk ksz ramkrt, de csak kzeltenifogja a megolds optimumt az ily mdon kapott chip.

A digitlis ramkri kategrikat a 11.18. bra mutatja be, mg sszehasonltsukat a 11.1.tblzat vgzi el.

Egyedi

(full custom)

El!tervezett

(librarycustom)

El!gyrtott

(customproduced)

PROM

+kiegszt!

elemek

Katalgus k.+ NYK

4 5 4 5 3 5 3


19/19


F"KATEGRIK KATEGRIK ALKATEGRIK GYRTSI JELLEMZ"K KATEGRIA ELEMEKStandard funkcij IC-k

(General Purpose Logic= GPL)

Bipolris

MOS (nMOS, CMOS)Vegyes (pl. BiCMOS)

Katalgus-ramkrk

Szoftver-programozhateszkzk(Sotfware Program-mable Logic - SPL)(pl. mikroprocesszor)

Digitlisintegrltramkrk

Hardverben programoz-hat eszkzk(Hardware Program-mable Logic - HPL,PLD-k, stb.)

PLA-kFPLA-kPAL-kFPAL-k, stb.

Eszkz mtrix(Device-array)

Felhasznls-specifikus integrlt

Rszben egyedi(Semi custom)

El!gyrtott(el!regyrtott)

Egysges el!gyrts(Custom preproduced)

kapu-mtrix(Gate-array)

ramkrkCella-mtrix

(Cell-matrix)

El!tervezett Custom Design Circuits Standard cell(Cellaknyvtras,library custom)

Teljesen egyedi(Full Custom)

Egyedileg tervezett sgyrtott

Teljesen egyedi(Full Custom)

11.1. tblzat

digitális elektronika.pdf

Documents