PDF-лекции, страница 9

U=0.Транзисторный ключСейчас обычный ключ заменен электронным. Ключ можно сделать с помощьютранзистора.Uin – входное напряжениеПотенциальный барьер примерно равен 0,6V. Если входное напряжение меньше этойвеличины, то коллекторный ток не течет, если больше – транзистор открывается.Передачная характеристика – зависимость выходного напряжения Uout от входногоБудем считать низкий уровень напряжения логическим нулем, а высокий –логической единицей. С точки зрения логики данная схема является инвертором.

(Это егобазовая схема.)Транзистор закрытзз– напряжение логической единицы.Rз – сопротивление закрытого транзистора, Rk – сопротивление коллектора. Если Rз >> Rk,тоТранзистор открыт (подали высокое напряжение)000– напряжение логического нуляесли Rk >> R0.Семейства микросхем могут различаться по уровню напряжения, соответствующемулогическому 0 и логической 1. Если в качестве ключевого элемента используется такаябазовая схема на обычных биполярных транзисторах, то это семейство ТТЛ –транзисторно-транзисторная логика. Соответствующий ей уровень логического 0, логической 1Когда микросхема находится в каком-то определенном состоянии, она потребляеткакую-то мощность. Это важно потому, что, если она находится в каком-то определенномсостоянии и потребляет большую мощность, то это плохо с точки зрения создания БИС,т.к.

если, находясь в статическом режиме, они потребляют большую мощность, нельзядостигнуть большой степени интеграции.Статическая потребляемая мощность, когда схема находится в состояниилогического 0 P0, и в состоянии логической 1- P1 могут быть разными.В нашей схеме в состоянии нуля транзистор открыт, а значит течет ток ипотребляется мощность. Мощность выделяемая на сопротивлении–разные по величине. Когда ключ открыт, мощность будет больше. В таком случаечасто вводят статическую потребляемую мощностьПомехоустойчивость микросхемы.Напряжение питания может меняться – будет меняться уровень логического нуля илогической единицы. Кроме того, микросхема нужна не сама по себе, к ней нужноподсоединить следующую микросхему, и выходной напряжение с этой микросхемыявляется входным для другой.

Т.е. к этой микросхеме подключается какое-то устройство,обладающее входным сопротивлением. В этом случае будут меняться напряжениелогического 0 и напряжение логической 1.Пусть у нас есть две микросхемы, и мы выход одной подсоединили ко входу другой. В зависимости отмикросхемы меняются размеры сопротивлений закрытого ключа, открытого ключа, и логические уровнименяются. В каких пределах может меняться уровень, соответствующий логическому 0, может меняться,чтобы следующая за ней микросхема воспринимала этот уровень как уровень логического 0?UoutUinНапряжение, соответствующее логическому 0, U0 ≈ 0,4 – 0,8 V.Напряжение, соответствующее логической 1, U1 ≈ 2,4 – 2,8 V..Поскольку на выходную величину влияет нагрузка следующих микросхем, тоиногда вводят понятие коэффициент разветвления – сколько к выходу одной микросхемыможно подключить аналогичных микросхем.Когда микросхема находится в динамическом режиме, т.е.

когда напряжение навходе меняется от логического 0 до 1, что будет на выходе?Пусть на вход подается сигнал. Реально прямоугольника быть не может, т.к. естьемкость.Tф определяет длительность фронта импульса.Меняются фронты. Есть задержка распространения. Иногда вводят(Tp- распространения; L- Low; H- High)Если транзистор открыт, это означает, что на базу подается напряжение > 0,6V, атранзистор находится в режиме глубокого насыщения, т.е.

на коллекторе напряжение<0,6V. В базе накапливаются носители заряда, которые потом будут долго оттударассасываться. Нельзя допускать, чтобы между базой и коллектором в режиме насыщениянапряжение было >0,6V. Между базой и коллектором ставится диод Шотке.П/п диод – диод, составленный из полупроводников p и n типа. Переход можно сделать ииз п/п и металла – это и есть диод Шотке.

Он характерен тем, что, если для кремниябарьерная разность 0,6V, то для диода Шотке (т.е. для перехода п/п – металл) она меньше –порядка 0,2V.Таким образом, когда напряжение превышает 0,2 – 0,3V, не основные носители непопадают в базу, и тем самым предотвращается глубокое насыщение.Есть ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодом Шотке. В этом случаезадержка фронта при переходе из закрытого состояния в открытое существенноуменьшается.При переходе микросхемы из одного состояния в другое, можно говорить опотреблении энергии.ВводятЦель – малое потребление энергии микросхемой. Каков физический нижний пределэнергии, требуемый для переключения?Работа связана с тем, что электроны движутся в электрическом поле.

Но электроныеще участвуют в тепловом движении. Тепловая энергия электрона kT. k – постояннаяБольцмана, Т – температура. Энергия переключения не может быть меньше kT.Кроме этого, нас интересует еще одно семейство микросхем, на которых как разсозданы схемы с высокой степенью интеграции. Это CMOS (КМОП). Речь идет о полевомтранзисторе.

КМОП – Комплиментарный Металла Окиси Полупроводник.Полевой транзистор: в п/п сделали некий канал.На п/п наносится тонкий слой диэлектрика.Между затвором и стоком (затвором и истоком) очень большое сопротивление.Проводимость канала довольно высокая. Размеры канала очень маленькие. Обычно 0,3 – 1мкм.. Свойства по сути дела определяются отношением ширины канала W к длине каналаL. Т.е. если это отношение остается постоянным, то свойства канала не меняются.Зависимость тока стока от приложенного между затвором и истоком напряженияСуществует пороговое напряжение: если напряжение < этого порогового напряжения, тоток стока = 0, если выше – ток стока растет по квадратичному закону.

В обычномтранзисторе ток коллектора растет линейно в зависимости от напряжения между базой иэмиттером. Чтобы открыть канал р типа, нужно между затвором и истоком податьотрицательное напряжение.Характерные отличия : входное сопротивление КМОП транзистора =бесконечности. Если мы берем какую-то логическую микросхему и с нее подаемнапряжение на затвор транзистора, или микросхему, на входе которой стоит полевойтранзистор, то потребляемая этой микросхемой мощность = 0. В отличие от КМОПтранзисторов, в ТТЛ всегда есть входное сопротивление, через которое течет некоторыйток, и следовательно есть потребляемая мощность.Эквивалентная схемаЕсли мы берем напряжение питания 3V, то пороговое напряжение порядка 0,3V.

Реальноиспользуется транзистор, у которого пороговое напряжение меняется от 0,1 до 1V.Мы можем работать только выше порогового напряжения. Мы можем подавать маленькоенапряжение чуть больше порогового и большое напряжение, которое равно напряжениюпитания.При одном напряжении должен открываться один транзистор, при другом – другой.Если на вход подается 0, то транзистор р типа открыт потому, что у него между затвором иистоком напряжение UDD, а транзистор n типа закрыт. Если на вход подается высокоенапряжение, например UDD, то наоборот – транзистор р типа будет закрыт, т.к. у него и наистоке UDD, и на затворе – UDD, а между затвором и истоком - 0, а транзистор n типаоткроется.

Получили инвертор.Статическая потребляемая мощность = 0. Оценим динамическую потребляемуюмощность.Напряжение на емкости меняется от 0 до UDD.На вход подаем сигнал с тактовой частотой f и периодом ТДинамическая потребляемая мощность тем больше, чем больше частота.Пороговое напряжение можно варьировать. Переход из одного состояния в другое можетпроисходить при разных напряжениях, которое определяется пороговым напряжением.Помехоустойчивость микросхемы высокая.При длине канала 0,3 мкм. канала полная емкостьЕсли мы знаем эту емкость, мы знаем напряжение, мы можем определить быстродействие,зная частоту. У микросхемы, на которой много элементов, потребляемая мощностьопределяется всеми этими элементами. В ЦП частоты – примерно 1,2 – 1,3 ГГц.

Всеработает за счет того, что очень маленькая емкость, которая используется за счетиспользования новых технологий, позволяющих уменьшить топологический размер.Лекция 6Микросхемы нельзя объединять по выходу, т.к. может сложиться ситуация, когдаток с одной пойдет на другую и может быть сбой.Реально вместо этого ключа может стоять полевой транзистор.ОЕ – управляющее напряжение, подаваемое на ключ. у –выходной сигнал.Если ОЕ=0, то ключ замкнут. Тогда у отражает состояние выхода микросхемы.

Если ключзакрыт, т.е. ОЕ=1, не зависимо от х на выходе будет так называемое z-состояние – третьесостояние. Это дает возможность объединять микросхемы по выходу. Если есть несколькомикросхем и надо объединить их выходы, надо брать микросхемы с третьим состоянием.Надо сделать так, чтобы одновременно на двух микросхемах не было сигнала разрешениявыхода.Таким образом объединяются выходы микросхем.При реальном изготовлении микросхем, увеличение количества выводовмикросхемы создает определенные трудности. Поэтому при создании микросхемстараются выводов делать как можно меньше.

Если есть линия, по которой в устройствовводится сигнал, и есть линия, по которой выводятся какие-то сигналы, то стараютсяобъединить эти линии и сделать так называемую двунаправленную линию передач. Еслиесть третье состояние, то можно без труда сделать такую двунаправленную линию.ТТЛ и СMOS логика – базовые для вычислительной технике.

Кроме этого есть такназываемая эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Это довольно специфическая логика. Онапоявилась потому, что у двух вышеупомянутых логик быстродействие мало.Быстродействие ТТЛ или CMOS логики определяется в первую очередь тем, что ключ,который используется, всегда либо сильно закрыт, либо полностью открыт, т.е. транзисторнаходится в режиме насыщения. Выход из режима насыщения происходит длительноевремя. Это причина того, что их быстродействие ограничено.