Головна |
Банківська справа | БЖД | Біографії | Біологія | Біохімія | Ботаніка та с/г | Будівництво | Військова кафедра | Географія | Геологія | Екологія | Економіка | Етика | Журналістика | Історія техніки | Історія | Комунікації | Кулінарія | Культурологія | Література | Маркетинг | Математика | Медицина | Менеджмент | Мистецтво | Моделювання | Музика | Наука і техніка | Педагогіка | Підприємництво | Політекономія | Промисловість | Психологія, педагогіка | Психологія | Радіоелектроніка | Реклама | Релігія | Різне | Сексологія | Соціологія | Спорт | Технологія | Транспорт | Фізика | Філософія | Фінанси | Фінансові науки | Хімія |
Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
КАФЕДРА РЕМ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ:
«Логічні елементи на доповнюючих МДП-транзисторах. Особливості логічних елементів, реалізованих у складі БІС »
МІНСЬК, 2009
Логічні елементи на доповнюючих МДП-транзисторах
Починаючи з середини 80-х років минулого сторіччя, 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 доповнюючих МДП-транзисторах (КМДП-ІМС), вигідно відрізняють їх від ІМС на МДП-транзисторах n-типу:
1.малая споживана потужність в статичному режимі (мікровата);
2.Високая швидкодія;
3.Високая завадостійкість 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 та елементи АБО-НЕ негативною логіки при паралельному включенні транзисторів р-типу і послідовному включенні транзисторів n-типу.
Рис. 1. ЛЕ на комплементарних МДН-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 m4. 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 вступі на входлогіческой 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 входиі Х2подани однакові рівні логічного 0, то обидва транзистора n-типу замикаються і відмикаються обидва транзистора р-типу, що призводить до формування на виході рівня логічної 1, близькою до + U. Так як у 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 та АБО-НЕ слід відзначити їх різні характеристики. При одній і тій же площі кремнієвого кристала, транзистор з каналом n-типу має менший опір у «відкритому» стані, ніж транзистор з каналом р-типу. Тому у послідовно включених k транзисторів з n-каналом опір у «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-входовий схеми АБО-НЕ, і тому схеми І-НЕ переважніше.
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 та 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 живлення 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 малу опору між шиною живлення 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 складає 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 Сп- ємність навантаження;
fp- робоча частота;
U - напруга джерела живлення;
Для зниження динамічної потужності необхідно зменшувати паразитні ємності затворів у складі БІС, тобто переходити на субмікронні розміри МДП-транзисторів.
Оскільки порогове напруга р-канального приладу Uopвише, ніж у n-канального, напруга живлення повинно бути вище Uop. 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 fp = 100 кГц;
200.. .400 МкВт / вентиль при fp = 400 кГц;
500 ... 1000 мкВт / вентиль при fp = 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 КМДП відрізняється високою гнучкістю. Наприклад, на чотирьох транзисторах р-типу та 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 велика кількість компонентів на функцію створює додаткові обмеження для створення КМДП-БІС у 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 МДН-структурах.
Неінвертуючий вентилі
У КМДП-логіці і в більшості інших логічних сімейств найпростішими є схеми інверторів, а слідом за ними йдуть елементи І-НЕ та 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.
Рис. 2. Неінвертуючий КМДП - буфер:
а) схема електрична принципова;
б) функціональне позначення;
в) табл., що описує роботу схеми (зт-закритий; від-відкритий)
Рис. 3. входовий 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 СБ) 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 - другий 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 проводу. У всіх варіантах включення ВТ і БТ виконується функція І з забороною (НЕ, І) з інверсією або без інверсії по виходу.
Рис. 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 шини. Коротко проаналізуємо його роботу.
При поєднанні сигналів = l, X2 = 1 буде відкритий БТ і на виході Y потенціал загальної шини (Y = 0). При поєднанні сигналів = 0, знову відкритий БТ і Y = 0. При поєднанні сигналів, X2 = 0 відкритий вже ВТ, але гак як, то на виході Y буде потенціал загальної шини (Y = 0). Лише при поєднанні сигналів, X2 = 0 вентильний транзистор 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 шини, що забезпечує високу завадостійкість 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 та 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 доповнюючих 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 СБ, що підключаються до входів традиційних схем І-НЕ, АБО-НЕ і І-АБО-НЕ, можна отримати нові види реалізованих функцій, які дозволяють побудувати економічні схеми тригерів, сумматоров, дешифраторів та інших цифрових пристроїв.
Особливості логічних елементів, реалізованих у складі БІС
Рис. 5. Логічний елемент НЕ, І-НЕ на КМДП з СБ:
а) схема елемента 4И-НЕ; 6) функціональне позначення
Рис. 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-, ІЛ-типів характеризуються універсальністю, тому що призначені для автономного застосування в цифрових пристроях, при якому повинно бути забезпечено високу швидкодію передачі сигналів при гарній 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 ВІС. 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 відносяться біполярні і малопотужні TTL-мікросхеми з діодами Шотки, інжекційні логічні мікросхеми (ІЛ), 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 літри 10 2 лютого
ECL 20 січня 0,3
n-МДП 10 3 березня
КМДП 8 0,01 1
*) За одиницю взята площа розміщення на кристалі ECL-вентиля.
Прогрес у відношенні швидкодії і щільності ІС за останні десятиліття, відображає закон Мура, вперше сформульований засновником фірми Intel Гордоном Муром в 1965р. і складається 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 експоненціальним 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.
Визначення технічної можливості запобігання ДТП водієм
Експертний висновок у кримінальній справі №2660 №112 «20» листопада 200 8 р 10 листопада 2008 року в Експертно-консультаційний центр по експертизі ДТП ІрГТУ потупивши постанова від 28 жовтня 2008 р слідчого слідчого відділу по ДТП р Іркутська Волкову П.Н. у кримінальній справі Акопяна Г.Г.
Визначення рейтингу аварійно-небезпечних ділянок за ступенем ризику і величиною збитку, що наноситься спільноті в результаті ДТП
Визначення рейтингу аварійно-небезпечних ділянок за ступенем ризику і величиною збитку, що наноситься спільноті в результаті ДТП. Порівняння альтернатив пропонованих заходів за критерієм максимальної віддачі від бюджетних коштів Зміст 1 МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ РЕЙТИНГУ ДІЛЯНОК КОНЦЕНТРАЦІЇ ДТП 2
Визначення основних параметрів і компонування устаткування автономного локомотива
МПС РФ Московський державний університет шляхів сполучення (МИИТ) Курсовий проект З дисципліни "Локомотиви. Загальний курс" Тема: "Визначення основних параметрів і компонування обладнання автономного локомотива " Виконала: студентка групи ТЛТ-241 Є.В. Пихова Прийняв: доцент
Опис суднового дизеля ДКРН 80/70
ЗМІСТ Завдання на курсовий проект I. Вступ II. Технічна характеристика двигуна III. Особливості конструкції двигуна 1. Остов двигуна 2. Кривошипно-шатунний механізм 3. Механізм розподілу 4. Система подачі повітря в циліндри 5. Система випуску відпрацьованих газів 6. Паливна система 7. Масляна
ТОВ "АВТОРЕМБУД"
Федеральне агентство з освіти Камський Державний Автомеханічний технікум Спеціальність: «Технічне обслуговування та ремонт автомобільного транспорту » Шифр: ПП 190604.1068.00.00.00 ЗВІТ з переддипломної практики Розробив: _ студент гр. 439Т Мякушін В.Н. Перевірив: _ викладач Абакумов В.А.
Загальна характеристика підприємства "Альянс-Моторс". Технічна експлуатація автомобілів
Зміст 1. Загальна характеристика підприємства «Альянс-Моторс» 2. Виробнича та організаційна структура управління підприємством 3. Вимірювальні прилади для випробування двигуна ЯМЗ-236М2 4. Виробничий процес ремонту автомобіля ВАЗ-2131 1. Загальна характеристика підприємства «Альянс-Моторс»
Мікроконтроллерні регулятор оптимальної системи управління
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ Південний федеральний університет ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ Південного федерального УНІВЕРСИТЕТУ У М. Таганрог Факультетавтоматікі та обчислювальної техніки Кафедра систем автоматичного управління _ Пояснювальна записка до курсового