Команда
Контакти
Про нас

    Головна сторінка


Логічні елементи на доповнюючих МДП-транзисторах. Особливості логічних елементів, що реалізуються в складі БІС





Скачати 17.28 Kb.
Дата конвертації15.05.2019
Розмір17.28 Kb.
Типреферат

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

КАФЕДРА РЕМ

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«Дослідження логічних елементів на доповнюють МДП-транзисторах. Особливості логічних елементів, що реалізуються в складі БІС »

МІНСЬК 2009


Логічні елементи на доповнюючих МДП-транзисторах

Починаючи з середини 80-х років минулого століття, прогрес у створенні комплементарних МДП-схем (КМДП-схем) дозволив значно поліпшити їх характеристики такі як високу швидкодію і малу споживану потужність, сумісність з сімейством TTL-ІМС.

КМДП-логіка є одночасно найбільш придатною і найпростішою для створення логічних схем.

В даний час КМДП-схеми (КМОП-схеми) складають переважну частину світового ринку ІМС. У більшості нових НВІС типу мікропроцесорів і блоків пам'яті використана КМДП-технологія.

Основні властивості ЛЕ на доповнюють МДП-транзисторах (КМДП-ІМС), що вигідно відрізняють їх від ІМС на МДП-транзисторах n-типу:

1.малая споживана потужність в статичному режимі (мікроват);

2.Високая швидкодію;

3.Високая стійкість за рахунок великого перепаду рівнів сигналів логічних 1 (3. 5 ... 5.0 В) і 0 (0 ... 1.5 В);

4.Новий логічні можливості за рахунок взаємодоповнюючих структур;

5.високая здатність навантаження (n> 20).

Логічні КМДП-елементи відрізняються тим, що для кожного логічного входу необхідно застосовувати транзистор n-типу і пов'язаний з ним по затвору транзистор р-типу.

На основі КМДП можуть бути побудовані елементи АБО-НЕ позитивної логіки при паралельному включенні транзисторів n-типу і послідовному включенні транзисторів р-типу і елементи АБО-НЕ негативною логіки при паралельному включенні транзисторів р-типу і послідовному включенні транзисторів n-типу.


Мал. 1. ЛЕ на комплементарних МДП-транзисторах:

а) схема елемента АБО-НЕ б) схема елемента І-НЕ


Для побудови елемента АБО-НЕ на m входів потрібно послідовне (ярусное) включення m транзисторів р-типу і паралельне включення m транзисторів n-типу (позитивна логіка). Зазвичай коефіцієнт об'єднання по входу m 4. Відповідно для виконання елемента І-НЕ на m входів потрібно ярусное включення m транзисторів n-типу і паралельне включення m транзисторів р-типу (позитивна логіка).

На рис. 1 наведені двухвходових елементи АБО-НЕ і І-НЕ позитивної логіки на KMДП. Розглянемо докладніше роботу елемента АБО-НЕ.

При надходженні на вхід логічної 1 (напруга, близьке до + U) відкривається транзистор n-типу, а пов'язаний з ним по затвору транзистор р-типу замикається. На виході формується рівень логічного 0, близький до потенціалу загальної шини.

Коли на входи і Х 2 подані однакові рівні логічного 0, то обидва транзистора n-типу замикаються і відпираються обидва транзистора р-типу, що призводить до формування на виході рівня логічної 1, близькою до + U. Так як в стані Y = 0 відкритий транзистор n-типу, а в стані Y = l відкриті транзистори р-типу, то перезаряд ємності навантаження завжди здійснюється через відкритий МДП-транзистор.

Порівнюючи схеми І-НЕ і АБО-НЕ слід зазначити їх різні характеристики. При одній і тій же площі кремнієвого кристала, транзистор з каналом n-типу має менший опір в «відкритому» стані, ніж транзистор з каналом р-типу. Тому у послідовно включених k транзисторів з n-каналом опір в «відкритому» стані менше, ніж у k транзисторів з р-каналом. В результаті швидкодія схеми І-НЕ з k входами зазвичай вище і краще, ніж у k-входовую схеми АБО-НЕ, і тому схеми І-НЕ краще.

КМДП-схеми з числом входів більше двох можна очевидним способом отримати шляхом послідовно-паралельного розширення схем, представлених на рис.2. В принципі можна створювати КМДП-схеми І-НЕ і АБО-НЕ з дуже великим числом входів. Однак на практиці опір послідовно включених «відкритих» транзисторів зазвичай обмежує коефіцієнт об'єднання по входу (число входів, які може мати вентиль в конкретному логічному сімействі) у КМДП-схем числом 4 для вентилів АБО-НЕ, і числом 6 для вентилів І-НЕ.

У КМДП-схемах при будь-якій комбінації вхідних сигналів вихід ніколи не буває з'єднаний одночасно з шиною харчування і з землею; в цьому випадку напруга на виході було б десь посередині між низьким і високим рівнями (між 0 і 1) і не відповідало б жодному з логічних рівнів, а вихідна ланцюг споживала б надмірно велику потужність через малого опору між шиною харчування і землею.

Оскільки в статичному стані транзистори n- і р-типів не можуть бути відкриті одночасно, статична потужність дорівнює напрузі джерела живлення, помноженому на струм витоку закритого приладу. Ця потужність становить 0, 1 ... 1 мкВт / вентиль.

Динамічна потужність КМДП-БІС значно більше, але це має місце лише при перезарядці паразитних ємностей навантаження під час дії фронту імпульсу. Динамічна потужність ІМС може бути визначена як:

де С н - ємність навантаження;

f p - робоча частота;

U - напруга джерела живлення;

Для зниження динамічної потужності необхідно зменшувати паразитні ємності затворів в складі БІС, тобто переходити на субмікронні розміри МДП-транзисторів.

Оскільки гранична напруга р-канального приладу U op вище, ніж у n-канального , Напруга живлення повинно бути вище U op. У цьому випадку забезпечується висока стійкість ЛЕ і гарну швидкодію.

Типові значення потужності, споживаної в динамічному режимі окремими КМД-ІМС при різних частотах, знаходяться в межах:

50.. .100 мкВт / вентиль при f p = 100 кГц;

200.. .400 мкВт / вентиль при f p = 400 кГц;

500 ... 1000 мкВт / вентиль при f p = l МГц;

У складі БІС ці значення зменшуються ще на один-два порядки.

Зазначені значення потужності в 5 ... 1О разів нижче, ніж у вентилів, виконаних на основі МДП-транзисторів однієї структури.

Побудова ЛЕ на основі КМОН відрізняється високою гнучкістю. Наприклад, на чотирьох транзисторах р-типу і чотирьох транзисторах n-типу шляхом зміни схеми з'єднання можуть бути отримані дев'ять видів елементів, що виконують різні логічні функції.

Поряд з технологічними труднощами порівняно велике число компонентів на функцію створює додаткові обмеження для створення КМДП-БІС в порівнянні з МДП-БІС n-типу. Однак надмалих потужність КМДП-ІВС і високу швидкодію забезпечили широке застосування ІМС надвисокої ступеня інтеграції (ВІС і НВІС) на комплементарних МДП-структурах.

неінвертуючий вентилі

У КМДП-логіці і в більшості інших логічних сімейств найпростішими є схеми інверторів, а слідом за ними йдуть елементи І-НЕ і АБО-НЕ. Зазвичай неможливо створити неинвертирующий вентиль з меншим числом транзисторів, ніж в простому инверторе.

Неінвертуючий КМДП-буфер, а також логічні схеми І і АБО виходять в результаті підключення інвертора до виходу відповідного инвертирующего елемента. Реалізовані таким чином неинвертирующий буфер і логічний елемент І показані на рис. 2, в і рис. 3, г відповідно.

Комбінація схеми, наведеної на рис. 1, а з інвертором дасть логічний елемент АБО.

Мал. 2. Неінвертуючий КМДП - буфер:

а) схема електрична принципова;

б) функціональне позначення;

в) табл., що описує роботу схеми (зт-закритий; від-відкритий)


Мал. 3. входовую КМДП-схема І

Логічні елементи з вентильним і блокуючим КМДП-

транзисторами

ЛЕ цього різновиду побудовані з урахуванням позитивних вентильних властивостей МДП-транзисторів. У кожному двуxвxoдoвoм ЛЕ з вентильним і блокуючим КМДП-транзисторами (КМДП з ВБ) є один власне вентилюють МДП-транзистор n-типу (або р-типу) і пов'язаний з ним по затвору другий, блокуючий МДП-транзистор р-типу (n- типу). Об'єднані затвори вентильного і блокуючого транзисторів (ВТ і БТ) у всіх випадках є одним з логічних входів ЛЕ, стік ВТ - другим логічним входом, а об'єднані витоки ВТ і БТ - виходом ЛЕ. Роль ВТ може виконувати транзистор n- або р-типу, а БТ може бути підключений своїм стоком або до джерела живлення, або до загального проведення. У всіх варіантах включення ВТ і БТ виконується функція І з забороною (НЕ, І) з інверсією або без інверсії по виходу.


Мал. 4. Варіанти включення вентильних і блокуючих транзисторів:

а, б - для позитивної логіки;

в, г - для негативної логіки

На рис. 4 показані чотири можливих варіанти включення ВТ і БТ. Надалі будемо розглядати логічні схеми і пристрої, що працюють в позитивній логіці, так як ЛЕ негативною логіки працюють аналогічно.

На рис. 4, а показана схема ЛЕ, що виконує функцію НЕ, І-НЕ, де в якості ВТ використаний транзистор n-типу, а в якості БТ - транзистор р-типу, що підключається до джерела + U.

У схемі ЛЕ, що виконує функцію НЕ, І (рис. 4, б), в якості ВТ використаний транзистор р-типу, а в якості БТ - транзистор n-типу, що підключається до загальної шині. Коротко проаналізуємо його роботу.

При поєднанні сигналів = l, X 2 = 1 буде відкрито БТ і на виході Y потенціал загальної шини (Y = 0). При поєднанні сигналів = 0, знову відкритий БТ і Y = 0. При поєднанні сигналів , X 2 = 0 відкритий вже ВТ, але гак як , То на виході Y буде потенціал общейшіни (Y = 0).Лише при поєднанні сигналів , X 2 = 0 вентільнийтранзістор р-типу буде відкритий і передасть на вихід Y сигнал (Y = 1).

(Роботу схем в, г пропонується розглянути самостійно).

Особливістю ЛЕ на КМДП з СБ є те, що при закритому ВТ вихід елемента надійно підключається через відкритий БТ або до джерела живлення U, або до загальної шині, що забезпечує високу стійкість розглянутих ІМС, як це має місце у традиційних КМДП-ІМС.

Великі функціональні можливості відкриваються при проектуванні цифрових пристроїв при спільному застосуванні ІМС на КМДП з ВБ, що виконують функції НЕ, І та НЕ, І-НЕ з КМДП-ІМС, що виконують функції І-НЕ і АБО-НЕ.

На рис. 5 наведена схема ЛЕ, що виконує функцію 4И-НЕ, причому два входи цієї схеми є інверсними, що забезпечується за рахунок підключення двох схем НЕ, І на КМДП з ВБ до традиційної двухвходових схемою І-HE.

Якщо замість схеми І-НЕ застосувати двухвходових схему АБО-НЕ, то на тих же восьми доповнюють МДП-транзисторах буде реалізована функція НЕ, І-АБО-НЕ (рис. 2.26).

Аналізуючи схеми на рис. 5 і 6, можна побачити, що схеми на КМДП з СБ реалізують всі функції, властиві елементам T-TTL. Застосовуючи поєднання схем НЕ, І та НЕ, І-НЕ на КМДП з ВБ, що підключаються до входів традиційних схем І-НЕ, АБО-НЕ і І-АБО-НЕ, можна отримати нові види функцій, що реалізовуються, які дозволяють побудувати економічні схеми тригерів, сумматоров, дешифраторів та інших цифрових пристроїв.

Особливості логічних елементів, що реалізуються в складі БІС

Мал. 5. Логічний елемент НЕ, І-НЕ на КМДП з СБ:

а) схема елемента 4И-НЕ; 6) функціональне позначення

Мал. 6. Логічний елемент на КМДП з СБ:

а) схема елемента НЕ, І-АБО-НЕ; б) функціональне позначення

Розглянуті типові схеми ЛЕ TTL-, T-TTL, ECL-, І Л-типів характеризуються універсальністю, так як призначені для автономного застосування в цифрових пристроях, при якому повинно бути забезпечено високу швидкодію передачі сигналів при хорошій завадостійкості і порівняно високою здатності навантаження (типові значення n = 5 ... 10). Однак використання цих елементів у складі кристала БІС, де внутрісхемние зв'язку мають невисоку протяжність, порівняно невелике навантаження і, отже, мають низьку завадостійкість, дозволяє спростити їх конфігурацію і різко збільшити щільність упаковки ЛЕ в кристалі БІС. Спрощення схем ЛЕ дозволяє значно зменшити число компонентів на реалізацію вентилів І-НЕ, АБО-НЕ, зменшити споживану потужність і забезпечити якісний стрибок при створенні НВІС великий функціональної складності.

Оцінюючи різноманіття реалізацій ЛЕ ІМС, необхідно виділити ряд найбільш прийнятних технологій БІС і НВІС, які отримали найбільш широке застосування. До таких технологій належать біполярні і малопотужні TTL-мікросхеми з діодами Шотки, інжекційні логічні мікросхеми (І Л), мікросхеми емітерний-зв'язаної логіки (ECL) і в частині МДП-технології мікросхеми на польових транзисторах. Порівняльні характеристики ЛЕ БІС для цих технологій наведені в табл.1, де відображені відносні величини найважливіших параметрів.

Таблиця 1. Порівняльні характеристики типових елементів

біполярної і МДП-технологій.

Тип ІМС Відносна щільність упаковки * Питома потужність мВт / вентиль Досяжна затримка на вентиль, нс
TTL-Ш 6 6 1
І Л 10 2 2
ECL 1 20 0,3
n-МДП 10 3 3
КМДП 8 0,01 1

*) За одиницю взято площа розміщення на кристалі ECL-вентиля.

Прогрес щодо швидкодії і щільності ІС за останні десятиліття, відображає закон Мура, вперше сформульований засновником фірми Intel Гордоном Муром в 1965р. і який полягає в тому, що число транзисторів, що припадають на квадратний дюйм в ІС, щороку подвоюється.

В останні роки темп цього руху дещо сповільнилося: подвоєння відбувається тепер кожні 18 місяців; але важливо відзначити, що одночасно з подвоєнням щільності також удвічі збільшується швидкодія схем.

Тобто напівпровідникова техніка розвивається за експонентним законом.

Коли тільки з'явилися ІС, в одному корпусі було близько дюжини транзисторів. Сьогодні в результаті експоненціального зростання щільності упаковки мікропроцесори подолали позначку в 10 мільйонів транзисторів на один кристал. Експерти стверджують, що менш ніж через 10 років це число досягне 100 мільйонів.


ЛІТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Основи цифрової схемотехніки. Базові елементи і схеми. Методи проектування. М .: Світ, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основи мікропроцесорної техніки. Курс лекцій. М .: ІНТУІТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.І., Новосельцева Т.Я. Цифрові пристрої: Учеб. посібник для Втузов. СПб .: Політехніка, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробйов Н.В., Шишкевич А.А. Розрахунок елементів цифрових пристроїв. М .: Вища. шк., 2001. - 526 с.

5. Букрєєв І.М., Горячев В.І., Мансуров Б.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв. М .: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатін Н.М. Логічні елементи ЕОМ. М .: Вища. шк., 2000. - 160 с.


  • Логічні елементи на доповнюючих МДП-транзисторах
  • Логічні елементи з вентильним і блокуючим КМДП
  • Особливості логічних елементів, що реалізуються в складі БІС