Parametry układów cyfrowych

Prezentacja na temat: "Parametry układów cyfrowych"— Zapis prezentacji:

1 Parametry układów cyfrowych
UTK

2 Tranzystor półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję. Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania: Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe). Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe). Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie. Jest oczywiście wykorzystywany do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki, czy generatory. Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych

3 Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora. Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane: emiter (ozn. E), baza (ozn. B), kolektor (ozn. C). Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

4 Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang
Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeśli rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów) wówczas mówi się, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło praktycznie nie płynie. Natomiast jeśli rezystancja jest niewielka (kilkadziesiąt, kilkaset omów), mówi się, że kanał jest otwarty, prąd osiąga wówczas maksymalną wartość dla danego napięcia dren-źródło.

5 Tyrystor Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej – bramką (G, od ang. gate – bramka). Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe – gazotrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu.

6 Układy scalone – Mikroelektronika

7 który zawierał kilkaset tranzystorów.
W lecie roku 1958 Jackowi Kilby'emu, pracującemu dla Texas Instruments, udało się wytworzyć kilka elementów elektronicznych na pojedynczym kawałku półprzewodnika. W roku 1961 firmy Fairchild i Texas Instruments ogłosiły dostępność pierwszych komercyjnych, planarnych układów scalonych zawierających proste funkcje logiczne W roku 1963 firma Fairchild wyprodukowała układ scalony pod nazwą 907, który zawierał dwie bramki logiczne złożone każda z czterech tranzystorów bipolarnych i czterech oporników. W roku 1967 firma Fairchild wprowadziła na rynek układ zwany Micromosaic, który zawierał kilkaset tranzystorów.

8 Układ scalony – (ang. intergrated circuit, chip) (potocznie kość), zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory. Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie - szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne grupy: monolityczne, w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika hybrydowe - na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy: cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów) grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)

9 W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego
można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych

10

11 Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang
Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G - bramka. E lektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka

12

13 JFET Obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym. Pod wpływem napięcia UGS polaryzującego zaporowo złącze pn, warstwa zaporowa rozszerzy się, przekrój kanału zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża.    Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo. Gdy doprowadzone jest napięcie UDS między dren i źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła, w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem S. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia UDS nie będzie powodował praktycznie dalszego wzrostu prądu drenu ID gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały

14 Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET*
polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie) gdy bramka jest spolaryzowana napięciem UGS>0, dodatni ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS. *W technologii MOSFET tranzystory są produkowane w formie trzech warstw. Dolna warstwa to płytka wycięta z monokryształu krzemu lub krzemu domieszkowanego germanem. Na płytkę tę napyla się bardzo cienką warstę krzemionki lub innego tlenku metalu lub półmetalu, która pełni funkcję izolatora. Warstwa ta musi być ciągła (bez dziur), ale jak najcieńsza. Obecnie w najbardziej zaawansowanych technologicznie procesorach warstwa ta ma grubość równą pięciu cząsteczek tlenku. Na warstwę tlenku napyla się z kolei bardzo cienką warstwę dobrze przewodzącego metalu (np. złota).

15 Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu UDS>0 to popłynie prąd drenu ID tym większy im większe będzie napięcie UDS.    Zależność prądu drenu ID od napięcia drenu UDS nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne UDS zmienia stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy. Ze wzrostem UDS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy UDS=UGS kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Dalszy wzrost napięcia drenu UDS będzie powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.

16 CMOS (ang. Complementary MOS) – technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ statystycznie nie pobiera żadnej mocy (pomijając niewielki prąd wyłączenia tranzystora), a prąd ze źródła zasilania płynie tylko w momencie przełączania – gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą jednocześnie oba tranzystory. Tracona w układach CMOS moc wzrasta wraz z częstotliwością przełączania, co wiąże się z przeładowywaniem wszystkich pojemności, szczególnie pojemności obciążających wyjścia. Układy CMOS są relatywnie proste i tanie w produkcji umożliwiając uzyskanie bardzo dużych gęstości upakowania tranzystorów na jednostce powierzchni płytki krzemu. W nowoczesnych układach powierzchnia zajmowana przez jeden tranzystor jest mniejsza od 1 µm².

17 Transistor-transistor logic (TTL) to klasa cyfrowych układów scalonych.
Zapoczątkowana przez Texas Instruments w 1961 w rodzinie 7400 TTL była pierwszą techniką masowej produkcji układów scalonych, i nadal jest w szerokim użyciu. Układy TTL zbudowane są z tranzystorów bipolarnych i zasila się je napięciem stałym 5 V. Działają w logice dodatniej - sygnał TTL jest niski (logiczne "0"), gdy potencjał ma wartość od 0 V do 0,8 V w odniesieniu do masy, wysoki (logiczna "1") przy wartości potencjału między 2 V a 5 V.

18 Parametry układów TTL Napięcie zasilające +5V (+4,75V do +5,25V)
Sygnał wyjściowy: H > 2,4V L < 0,4V Sygnał wejściowy: H > 2,0V L < 0,8V Fan Out 10 Współczynnik dobroci: 5-100 Czas przełączania: TTL (35 MHz) TTL-L (10 MHz) 10x mniejszy pobór mocy w stosunku do TTL TTL-H (58 MHz) TTL-F (125 MHz) TTL-S (125 MHz) diody Schottky'ego 2x pobór mocy TTL-LS (40 Mhz) trochę mniejszy pobór mocy

19 Układy CMOS Napięcie zasilające 3-15V (-0,5 +18V) Dla zasilania 5V:
Sygnał wyjściowy: H > 4,95 L < 0,05 Sygnał wejściowy: H > 3,5 L < 1,5 Dla zasilania 15V: Sygnał wyjściowy: H > 14,95 L < 0,05 Sygnał wejściowy: H > 11 L < 4 Czas Przełączania: ok MHz Fan Out 50 Współczynnik dobroci: 0,01-0,2

20 Podział układów scalonych ze względu na skalę integracji
Miarą stopnia scalenia układu scalonego jest liczba bramek elementarnych tworzących danych układ lub liczba elementów (tranzystorów). SSI - (SMALL SCALE INTEGRATION) - o małym stopniu scalenia, tzn. od kilku do kilkudziesięciu tranzystorów (elementów) w jednej strukturze. MSI - (MEDIUM SCALE INEGRATION) - o średnim stopniu scalenia, tzn. od kilkudziesięciu do kilkuset tranzystorów. LSI - (LARGE SCALE INEGRATION) - o dużym stopniu scalenia, tzn. od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy tranzystorów. VLSI - (VERY LARGE SCALE INTEGRATION) - o bardzo dużym stopniu scalenia, tzn powyżej tranzystorów. ULSI - (ULTRA LARGE SCALE INTEGRATION) - o ultra wysokiej scali integracji, tzn. powyżej tranzystorów.

21 Podział układów scalonych ze względu technologię
Zgodnie z powyższym kryterium rozróżnia się następujące układy: •DTL •RTL •DCTL • TTL •ECL •MOS •I2L •CTD •CMOS

22 Podstawowe parametry scalonych układów cyfrowych
Do podstawowych parametrów półprzewodnikowych scalonych układów cyfrowych należą: • moc pobierana ze źródła zasilania (moc rozpraszana, strata mocy); •napięcie zasilania; •czas propagacji; • czas przełączania; • maksymalna częstotliwość zegara (dla układów synchronicznych); • odporność na zakłócenia (margines zakłóceń).

23 Moc pobierana ze źródła zasilania
• Moc pobierana ze źródła (strata mocy) Ps to iloczyn napięcia zasilania i średniego prądu pobieranego ze źródła zasilania. •Im wyższa częstotliwość zegara, tym większy pobór mocy przez układ i tym większą temperaturę osiąga układ. •Jeśli temperatura w danym punkcie układu przekroczy wartość krytyczną, to dojdzie do uszkodzenia elementu logicznego

24 Napięcie zasilania • Napięcie zasilania Uz zależy od technologii wykonania danego układu. Dla układów technologii TTL napięcie Uz wynosi +5V. Dla układów technologii CMOS może przyjmować wartości z przedziału +1.1V - +18V. Dla danej technologii istnieje zawsze górna granica napięcia zasilania, powyżej której mogą wystąpić przebicia elementów, a w konsekwencji zniszczenie układu. Górna granica napięcia ulega obniżeniu w miarę wzrostu temperatury pracy. Dolna granica napięcia zasilania jest związana ze sposobem działania danej technologii i akcepowalnego poziomu zakłóceń.

25 Czas propagacji • Czas propagacji tp jest odstęp pomiędzy momentami, w których napięcia wejściowe i wyjściowe zmieniają się o odpowiednią wartość (zwykle 50%).

26

27

28

29

30