Transcript Proigmena_Psifiaka3

Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ
Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα
ΕΝΟΤΗΤΑ 3Η
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS
Το
τρανζίστορ FET επαφής
Το τρανζίστορ MOSFET
Πύλες CMOS
Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά κυκλωμάτων CMOS
Τύποι εισόδων/εξόδων κυκλωμάτων CMOS
ΛΟΓΙΚΗ CMOS
ΣΤΙΣ ΔΕΚΑΕΤΙΕΣ ’80 ΚΑΙ ’90 ΠΑΡΑΤΗΡΗΘΗΚΕ ΜΙΑ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ
ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΛΟΓΙΚΗ TTL ΠΡΟΣ ΜΙΑ ΝΕΑ
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ICs ΠΟΥ ΕΞΑΣΦΑΛΙΖΕΙ ΥΨΗΛΟΤΕΡΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ,
ΥΨΗΛΟΤΕΡΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ.
Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΗ ΣΤΗΡΙΖΕΤΑΙ ΣΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOSFET ΚΑΙ
ΟΝΟΜΑΖΕΤΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS (COMPLEMENTARY MOS).
ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ FET ΕΠΑΦΗΣ
To τρανζίστορ επαφής είναι διπολικό, δηλαδή λειτουργεί με δύο ειδών φορείς (n και p).
Αντίθετα, τα FET (Field Effect Transistors) είναι μονοπολικά και λειτουργούν με n ή p
φορείς.
FET n-καναλιού: Τεμάχιο ημιαγωγού
τύπου n, που στις πλευρές του έχει
υποστεί ισχυρή πρόσμιξη τύπου p+.
Οι δύο περιοχές βραχυκυκλώνονται
εξωτερικά και αποτελούν την πύλη
(Gate). Μεταξύ των δύο περιοχών p+
έχουμε το κανάλι ή δίαυλο του FET. Στα
άκρα (πάνω-κάτω) υπάρχουν δύο
ηλεκτρόδια που ονομάζονται πηγή S
(source) και απαγωγός D (drain).
ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ FET ΕΠΑΦΗΣ
Στο FET n-διαύλου ο απαγωγός
συνδέεται με το +, οπότε οι φορείς
(ηλεκτρόνια) απάγονται από τον
απαγωγό.
Η επαφή πύλης-πηγής (GS) πρέπει να
είναι ανάστροφα πολωμένη. Άρα το VG
πρέπει να είναι αρνητικό ως προς Vs για
n-δίαυλο και θετικό για p-δίαυλο.
ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ FET ΕΠΑΦΗΣ
Όσο αυξάνει η ανάστροφη τάση VGS τόσο αυξάνει η περιοχή
φορτίων χώρου μέσα στον δίαυλο και άρα ο δίαυλος κλείνει, ενώ
το ρεύμα μικραίνει.
Άρα, ο δίαυλος μπορεί να κλείσει ή να ανοίξει (ON-OFF) με βάση το δυναμικό στην πύλη
Στο FET το ρεύμα του διαύλου εξαρτάται από το δυναμικό στην πύλη. Το ρεύμα που
διαρρέει την πύλη είναι ελάχιστο. Αυτή είναι άλλη μία διαφορά από το διπολικό
τρανζίστορ επαφής.
ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOSFET
(Metal-Oxide-Semiconductor FET)
Στο MOSFET προσαύξησης n-διαύλου η πηγή
και ο απαγωγός είναι περιοχές έντονης
πρόσμιξης δοτών n+ μέσα στο υπόστρωμα του
p ημιαγωγού.
Η πύλη διαμορφώνεται σαν ένα σάντουϊτς
μετάλλου-οξειδίου (SiO2)-ημιαγωγού.
Το διηλεκτρικό SiO2 ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο
της πύλης και στο p υπόστρωμα έχει σαν
αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πυκνωτή.
Πόλωση και λειτουργία του MOSFET προσαύξησης nδιαύλου
Θετικό δυναμικό στην πύλη έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία διαύλου τύπου n από
τα ηλεκτρόνια που έλκονται στην περιοχή της πύλης.
Με θετικό δυναμικό στον απαγωγό σε σχέση με την πηγή, περνά ρεύμα μέσα από τον
δίαυλο.
ΤΟ MOSFET προσαύξησης p-διαύλου
Σε n-υπόστρωμα σχηματίζονται περιοχές p+ όπου δημιουργούνται τα ηλεκτρόδια
πηγής και απαγωγού. Η πύλη διαμορφώνεται πάλι σαν Μ-Ο-S. Με αρνητικό
δυναμικό στην πύλη απωθούνται τα ηλεκτρόνια και έλκονται οι οπές, οπότε
δημιουργείται δίαυλος τύπου p στην περιοχή της πύλης.
Με αύξηση του αρνητικού δυναμικού μειώνεται η αντίσταση Rds του p διαύλου.
Άρα το MOSFET p-διαύλου λειτουργεί αντίθετα ως προς τα δυναμικά από το
MOSFET n-διαύλου.
Bασική λειτουργία n-MOS και p-MOS
Vgs>0,
Rds=0
Vgs<0,
Rds=0
To MOSFET p-διαύλου λειτουργεί αντίθετα ως προς τα δυναμικά από το
τρανζίστορ MOSFET n-διαύλου.
Τα δύο τρανζίστορ χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά και η τεχνολογία
που προκύπτει ονομάζεται CMOS (complementary ή συμπληρωματικά
MOS)
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOS
ΣΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOS Η ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΠΥΛΗΣ ΕΙΝΑΙ ΠΟΛΥ
ΜΕΓΑΛΗ ΕΞΑΙΤΙΑΣ ΤΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ SiO2. ΑΡΑ ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΤΗΣ
ΠΥΛΗΣ ΕΙΝΑΙ ΣΧΕΔΟΝ ΜΗΔΕΝ ΚΑΙ ΣΥΝΕΠΩΣ ΕΧΟΥΜΕ ΜΙΚΡΗ
ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ.
ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOS ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ ΜΕ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ
ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΤΗΣ ΠΥΛΗΣ ΚΑΙ ΟΧΙ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ, ΟΠΩΣ
ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΣΤΟ ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ. ΑΠO ΤΗΝ ΙΔΙΟΤΗΤΑ ΑΥΤH
ΠΡΟΕΡΧΕΤΑΙ Ο ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ FIELD EFFECT.
Ο ΒΑΣΙΚΟΣ CMOS ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ
Το MOS p-διαύλου έχει αντίθετη
συμπεριφορά από το MOS n-διαύλου.
Δηλαδή, κλείνει όταν στην είσοδο έχει
LOW. Τότε, εξαιτίας της πόλωσης
VDD, η πύλη είναι αρνητική σε σχέση
με την πηγή και το p-ΜOS άγει.
Προσέξτε το μοντέλο των διακοπτών
και τον πίνακα λειτουργίας.
n-MOS και p-MOS = CMOS (συμπληρωματικά MOS)
ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ
ΓΙΑ ΤΑ n ΔΙΑΥΛΟΥ ΚΑΙ p-ΔΙΑΥΛΟΥ MOS ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕ ΤΑ ΣΥΜΒΟΛΑ ΠΟΥ
ΦΑΙΝΟΝΤΑΙ ΣΤΟ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ:
ΣΤΑ ΕΞΗΣ ΘΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕ ΑΥΤΑ
ΤΑ ΣΥΜΒΟΛΑ ΓΙΑ ΝΑ ΥΠΟΔΗΛΩΣΟΥΜΕ
ΟΤΙ ΤΟ p - MOS EINAI ON OTAN ΣΤΗΝ
ΠΥΛΗ ΕΧΕΙ LOW, ΕΝΩ ΤΟ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΟ
ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΜΕ ΤΟ n-MOS.
CMOS NAND ΚΑΙ NOR
Για την κατασκευή NAND και NOR με k εισόδους χρειαζόμαστε
k n-ch και k p-ch MOS.
NAND δύο εισόδων
Όταν μία από τις δύο
εισόδους είναι LOW, τότε
ενεργοποιείται (ΟΝ) το ένα
από τα δύο p-ch MOS και η
έξοδος βρίσκει μια χαμηλής
αντίστασης διαδρομή προς
την τάση Vdd. Ταυτόχρονα, η
διαδρομή προς τη γη
εμποδίζεται από το n-MOS
που είναι OFF.
Όταν και οι δύο είσοδοι είναι HIGH, τότε το
p-MOS είναι OFF ενώ τα n-MOS φέρνουν
την έξοδο στη γη.
ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ ΓΙΑ CMOS ΠΥΛΗ NAND
Στην πύλη NOR χρησιμοποιούμε αντίστροφη διάταξη. Τα p-MOS είναι σε σειρά και τα
n-MOS παράλληλα:
ΑΣΚΗΣΗ: Να σχεδιάσετε το μοντέλο διακοπτών για την παραπάνω πύλη NOR.
ΠΥΛΕΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥΣ
Fan-in
O αριθμός εισόδων μιας πύλης σε μια συγκεκριμένη λογική οικογένεια ονομάζεται
fan-in της λογικής οικογένειας. Όσο αυξάνει το fan-in τόσο αυξάνει ο αριθμός των
τρανζίστορ σε σειρά (βλέπε για παράδειγμα τα τρανζίστορ Q1, Q3 στη NAND), οπότε
αυξάνει η αντίσταση σειράς. Αυτό δημιουργεί περιορισμούς, οπότε είναι καλύτερα να
συνδυάζουμε πύλες με λιγότερες εισόδους, που επιτυγχάνουν την ίδια
λειτουργικότητα:
ΜΗ ΑΝΑΣΤΡΕΦΟΥΣΕΣ ΠΥΛΕΣ CMOS
Στις περισσότερες ψηφιακές οικογένειες οι απλούστερες πύλες είναι οι
αναστρέφουσες (NAND, NOR, NOT). Για να πετύχουμε την μη-αντιστροφή, πρέπει
να βάλουμε στην έξοδο έναν ακόμη αντιστροφέα.
Έτσι, ο μη-αναστρέφων απομονωτής (buffer) δημιουργείται ως εξής:
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ CMOS
Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη σχεδίαση
ενός ψηφιακού κυκλώματος είναι τα εξής:
Λογικά επίπεδα δυναμικού: Οι έξοδοι των ψηφιακών πυλών παράγουν low και high
καταστάσεις σε συγκεκριμένα όρια, ενώ οι είσοδοι αναγνωρίζουν αυτές τις
καταστάσεις σε κάπως ευρύτερα όρια. Έτσι, υπάρχει το λεγόμενο «περιθώριο
θορύβου dc». Τα περιθώρια αυτά εγγυώνται ότι η μεγαλύτερη τιμή που μπορεί να
παράγει μια έξοδος σαν low είναι μικρότερη από την μεγαλύτερη τιμή που
καταλαβαίνει σαν low μια είσοδος.
Αντίστροφα: Η μικρότερη τιμή σε κατάσταση high μιας εξόδου είναι μεγαλύτερη από
την μικρότερη τιμή που καταλαβαίνει σαν high μια είσοδος.
Fanout: Ο μέγιστος αριθμός οδηγούμενων εισόδων από μία έξοδο, χωρίς
δυσάρεστες επιπτώσεις στην κατανάλωση ισχύος και στην ταχύτητα.
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ CMOS (συνέχεια)
Ταχύτητα: Ο χρόνος που χρειάζεται μια CMOS έξοδος για να έρθει από το LOW στο
HIGH. (Καθορίζεται από τον χρόνο μετάβασης και τον χρόνο διάδοσης).
Κατανάλωση ισχύος: Εξαρτάται από την εσωτερική δομή του CMOS, τα σήματα
που λαμβάνει, τις εισόδους που οδηγεί, τη συχνότητα εναλλαγών low-high.
Ευαισθησία στο θόρυβο: Ο θόρυβος μπορεί να προέρχεται από βιομηχανικές
εγκαταστάσεις και μηχανές, διαταραχές της τροφοδοσίας ή και από τις εναλλαγές lowhigh μέσα στο ίδιο το κύκλωμα.
Ευαισθησία στην ηλεκτροστατική εκφόρτιση (EDC-electrostatic discharge)
Είδος εξόδων (ανοικτού απαγωγού, τριών καταστάσεων).
Ηλεκτρική συμπεριφορά: Λογικά επίπεδα και επίπεδα
θορύβου
4.4V
3.15V
1.35V
0.1V
Περιθώριο θορύβου: 1.25V στην κατάσταση high και στην κατάσταση low.
Τα όρια του dc θορύβου σημαίνουν πόσος θόρυβος μπορεί να προστεθεί
στο σήμα, ώστε να το βγάλει έξω από τα όρια αναγνώρισης στην κατάσταση
low και high.
Ηλεκτρική συμπεριφορά: Ρεύματα εισόδων-εξόδων
Ρεύματα εισόδων: Μια CMOS είσοδος γενικά καταναλώνει ελάχιστο ρεύμα,
εξαιτίας της πολύ μεγάλης αντίστασης εισόδου. Στα φύλλα δεδομένων
χαρακτηρίζεται ως IIH και IIL.
Τυπική τιμή ΙΙmax = ±1μΑ. (Input current).
Ρεύματα εξόδων για οδήγηση εισόδων CMOS:
Τα μέγιστα ρεύματα για οδήγηση CMOS φορτίων είναι:
IOLmaxC = 0,02mA = 20μΑ.
IOΗmaxC = -0,02mA = 20μΑ.
Υπολογισμός του fanout (low):
fanout
I OL maxC 20

 20
I Im ax
1
Παρομοίως το fanout για κατάσταση high είναι 20.
Ηλεκτρική συμπεριφορά: Ρεύματα για μεγαλύτερα φορτία
Πολλές φορές το φορτίο που οδηγεί μια CMOS έξοδος μπορεί να μην είναι
CMOS, αλλά κάτι άλλο:
π.χ. LEDs, ηλεκτρονόμοι, ΤΤL είσοδοι.
Τότε, το ρεύμα μπορεί να είναι μεγαλύτερο και να προκαλεί απόκλιση από τις
μέγιστες και ελάχιστες τιμές του δυναμικού που προβλέπονται για την έξοδο.
Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιούμε άλλες προδιαγραφές ρευμάτων και
τάσεων για τις εξόδους του CMOS:
IOLmax = 4mA
ΙΟΗmax= -4mA
Ρεύματα εξόδων CMOS για φορτία CMOS και TTL
Σχόλια για τη χρήση των ολοκληρωμένων CMOS
Σχόλιο 1: Οι μη χρησιμοποιούμενες είσοδοι των πυλών CMOS πρέπει να
προσδένονται σε άλλες εισόδους που χρησιμοποιούνται ή να οδηγούνται
σταθερά στα 5V.
Σχόλιο 2: Υπάρχει περίπτωση να συμβεί διάτρηση του διηλεκτρικού στην πύλη,
εξαιτίας στατικών φορτίων (Electrostatic Discharge). Στην περίπτωση αυτή θα
καταστραφεί το CMOS. Άρα απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη χρήση. Πάντως,
τα σημερινά CMOS έχουν ειδική προστασία που μειώνει αυτόν τον κίνδυνο.
ΤΥΠΟΙ ΕΙΣΟΔΩΝ ΚΑΙ ΕΞΟΔΩΝ ΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ CMOS
Είσοδοι Schmitt trigger: Η τυπική καμπύλη εισόδου-εξόδου σ’ έναν αντιστροφέα είναι
αυτή που φαίνεται στο σχ. α. Στο σχ. β φαίνεται η χαρακτηριστική καμπύλη εισόδουεξόδου ενός κυκλώματος με είσοδο Schmitt-trigger.
Ένα κύκλωμα Schmitt-trigger δημιουργεί μια υστέρηση, καθώς μετακινεί το κατώφλι
της εναλλαγής της εισόδου, όπως φαίνεται στο σχ. β. Η έξοδος από Low γίνεται High
όταν η είσοδος πέσει κάτω από 2.1V. Από High γίνεται Low όταν Vin>2.9V.
Τύποι εισόδων: Είσοδοι Schmitttrigger
Στο σχήμα φαίνεται η μεταβολή της εξόδου για σήμα εισόδου (επάνω) με θόρυβο, όταν
η είσοδος είναι απλή και όταν είναι Schmitt-trigger (κάτω).
Έξοδοι τριών καταστάσεων (Tri-State)
Κύκλωμα απομονωτή τριών καταστάσεων
Εκτός από τις καταστάσεις Low και High η έξοδος μπορεί να πάρει τρίτη κατάσταση
υψηλής αντίστασης High-Z.
Με τη βοήθεια της εισόδου ENABLE μπορούμε να δημιουργήσουμε το Tri-State Bus.