IT eszközök technológiája - 2. előadás

Letöltés PDF-ként

A félvezető dióda

• félvezető anyagokat általában adalékolják (töltéshordozó számának változtatása)
• pn átmenet = félvezető dióda
  • p - anód, n - katód
  • anód pozitívabb mint a katód → nagy árammal vezet → dióda kinyit
  • anód negatívabb mint a katód → kis árammal vezet → dióda lezár
• felhasználás:
  • ez fogja egymástól elszigetelni a tranzisztorokat
  • egyenirányítás → váltakozó feszültségből csak pozitív feszültséget csinál

A MOS tranzisztor

• MOS: Metal-Oxide-Semiconductor
  • félvezető általában szilícium
• ma vezető technológia
  • 1957 - első MOS tranzisztor
  • 1970 - első (nagy tételben árult) MOS IC
  • 2005 - állítólag több MOS tranzisztor készült ahány rizs lett termesztve

Kristálytan

• egykristály: hosszú távúrendezettség
• polikristály: szemcsékből áll, de ezen szemcsék változtathatják helyüket
• amorf anyag: nincs, vagy csak rövid távú rendezettség van (pl üveg)
• 

MOS tranzisztor működési elve

• félvezető alapon (szubsztrát) létrehozunk két eletródát
• source-ból származó töltéshordozók és drain-be gyűjtődnek
• gate elektróda szabályozza (mintha egy szívószált összenyomnánk)

MOS tranzisztor kialakítása

• 2 fajta → NMOS és PMOS
• nMOS → p típusú szubsztrát, n típusú source és drain
• pMOS → n típusú szubsztrát, p típusú source és drain
• 

MOS tranzisztor működése

• nMos
  • alapeset → nem vezet → source és drain közt lezárt pn átmenet
  • gate meghalad egy küszöbfeszültséget → inverzió (gate alatt elektronok jelennek emg) → elektronok el tudnak jutni a source-ból a drain-be
• pMos → pont fordítva

Mire jó egy MOS tranzisztor

• kapcsolásra → nem teljesen ideális de jól működő
• igaz → tápfeszültség, hamis → 0V
• nMOS szubsztrát → földre kapcsolt, pMOS szubsztrát → tápfeszültségre kapcsolt
• nMOS-ra 0V → ki van nyitva a tranzisztor, nMOS-ra tápfesz → be van kapcsolva a tranzisztor
• pMOS-ra tápfesz → ki van nyitva a tranzizstor, pMOS-ra 0v → be van kapcsolva a tranzisztor
• pMOS-nál azért van kis karika, mert az nMOS inverze!

CMOS

• 2 fajta tranzisztorunk van → egyik logikai magas szintű vezérlésre kapcsol, a másik logikai alacsony színtűre
• komplementer MOS áramörök → CMOS
• tudunk készíteni:
  • invertert
  • alapkaput
  • ebből bármit

A digitális logika alapvető tulajdonságai

Bool algebra áramköri megvalósítása

• értékkészlet: x ∊ {0, 1}, műveletei: negálás, és, vagy
• értékkészlet elemeihez → feszültséget rendelünk
  • 1 → V_H (általában tápfeszültég)
  • 0 → V_L (általában föld)
  • swing → V_H-V_L(távolság feszültségben)
  • rail → tápfeszültég és a föld különbsége

Inverter

• V_L = f(V_H) és B_H = f(V_L)
• transzfer karakterisztika
• komparálási feszültég → ahol V_OUT = V_IN → efelett 1-nek ez alatt 0-nak tekintjük
  • laposan futó 2 szélső szakaszok → zaj/zavar ennél kisebb (ezeket elnyomja)
  • középső szakasz meredek → kis bemeneti változásra nagy kimeneti feszültségváltozás történik
• jel-regeneráció
  • logikai jel szintje regenerálódik → digitális logikai kapunak 2 egyensúlyi helyzete van
  • 
• robosztusság
  • digitális logikai áramkör robosztus
  • kevéssé érzékeny
    • bemeneten levő zajra, tápfeszültség megváltozására, környezeti hőmérsékletre, alkatrészek paramétereinek változására
• késleltetés
  • t_pHL - kimenet magasról alacsony szintre vált
  • t_pLH - kimenet alacsonyról magas szintre vált
  • kritikus út → logikai hálózatban a leghosszabb késleltetésű útvonal
    • ez határozza meg a teljes hálózat sebességét
• teljesítmény és energia
  • teljesítmény = egységnyi idő alatt felvett energia
    • Watt, P = V*I
    • átlagos teljesítmény:
      • 
    • (V_DD a kapu tápfeszültsége, I az árama)
  • energia
    • E = ∫ P(t) dt
    • Joule (vagy ha nagy: kWh = 3.6 MJ)
• teljesítmény-késleltetés szorzat (PDP)
  • egyszerre jellemzik a digitális kaput
  • Power-Delay product → 1bit feldolgozása mennyi energiát igényel
    • technológia mérőszáma

A CMOS

• n és p csatornás tranzisztorokból → innen név: komplementer
• jó tulajdonságok
  • logikai szintek tiszták → rail-to-rail (0-tól tápfeszültségig)
  • statikus áramfelvétel alacsony
  • fel és legkapcsolási késleltetések általában megegyeznek
  • tápfeszültség-érzéketlenek (széles tartományban működnek)
  • jól integrálhatóak

CMOS inverter

• 
• a terhelés kapacitív
  • összekötő hálózat kapacitása határozza meg leginkább a késleltetést
  • azaz pl az inverterek közti vezeték

Késleltetés

• kapacitás töltése-kisütése határozza meg
• nagyobb kapacitás → nagyobb késleltetés
• a tápfeszültég növelésével a késleltetés csökken (mivel nagyobb árammal töltjük a kapacitást)

Teljesítmény

• statikus fogyasztás alacsony, oka → szivárgás (leakage)
• dinamikus fogyasztás, oka → kapcsolási eseményeknél
  • átkapcsolás → bemeneti jel felfutó szakaszában mindkét tranzisztor egyszerre nyitott
  • töltéspumpálás → 
    • a kimeneti kapacitás feltöltése vagy kisütése miatt keletkezett fogyasztás
    • ez adja a legnagyobb részét a fogyasztásnak!
    • CMOS áramkör fogyasztása egyenesen arányos az órajelfrekvenciával és négyzetesen arányos a tápfeszültséggel → P ~ f*V_DD²

Dynamic Voltage Frequency Scaling

• órarekvencia és tápfeszültség változtatása az igényeknek megfelelően
  • nagyobb órajelhez → nagyobb feszültség
  • kisebb órajelhez → elég kisebb feszültség is
  • teljesítmény → négyzetesen változik a tápfeszültséggel

Energia

• kisebb frekvencia → több órajel kell egy taszkhoz → nem nyerünk energiát
• felhasznált energia az órajelek számával és a tápfeszültség négyzetével arányos

Statikus CMOS alapkapuk

• PUN - pull up network → p-csatornás tranzisztorok, V_DD tudja felhúzni ha kell
• PDN - pull down network → n-csatornás tranzisztorok, föld tudja lehúzni ha kell

CMOS kapu felépítése

• kapcsoló jellegű működés
  • ÉS → tranzisztorok soros kapcsolása
  • VAGY → tranzisztorok párhuzamos kapcsolása
• PUN és PDN reciprok hálózatok, azaz ellentétes módon

CMOS NOR kapu

• 

CMOS NAND kapu

•