Teil 1: Digitale Logik Inhalt: • Boolesche Algebra • kombinatorische Logik • sequentielle Logik • kurzer Exkurs: Technologische Grundlagen • programmierbare logische Bausteine
Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 1
Halbleiterdiode • Bauelement, durch das nur in eine Richtung Strom fließen kann: I > 0, wenn UD > US • aber Zener-Effekt: −I > 0, wenn UD < −UZ • Varianten: Schottky-Dioden (schneller) Z-Dioden (zur Stabilisierung) Foto-, Leuchtdioden (LEDs)
• Realisierung von ODER-, UND-Gatter mit Dioden: Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 2
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Transistor (bipolar) • Transistor leitet (d.h. es fließt ein Kollektorstrom IC), falls Basisstrom IB fließt • Basisstrom IB fließt nur, falls UBE > US • wenn Transistor sperrt: UCE = f (RC, RLast) wenn Transistor leitet: UCE = 0.2 ... 0.6 V • Emitterstrom IE=IC+IB • Hohe Stromverstärkung β: IC = β IB mit β = 102...104 Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 3
Multi-Emitter-Transistor • Eine Collektorzone und eine Basiszone, aber drei Emitterzonen
• Grundschaltung mit MultiEmitter-Transistoren: wenn mindestens ein Ei auf L, fließt Strom von C nach Ei (⇒ X auf ca. 0.4 V) wenn E1, E2 und E3 auf H, fließt kleiner Strom von B nach C (⇒ X auf ca. 1 V) Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 4
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Transistor-Transistor-Logik (TTL) • ausschließlich Stufen mit bipolaren Transistoren • Pegel H bei U = 2.8 ... 5 V Pegel L bei U = 0 ... 0.4 V • einfache Realisierung eines NAND-Gatters: T1: UND-Verknüpfung T2: Inverter
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Kapitel 1: Technologische Grundlagen 5
Transistor-Transistor-Logik (TTL, Forts.) • NAND-Gatter in TTL: Gegentaktendstufe mit T3 und T4
• Nachteile von TTL: in jedem Zustand leitet mindestens ein Transistor leitend, hohe Steuerströme für großen Störabstand nötig ⇒ hoher Energieverbrauch Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 6
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Varianten von TTL • Familien von TTL-Schaltkreisen:
Bezeichnung
TTL
LS-TTL
ALS-TTL
F-TTL
AS-TTL
74xx
74LSxx
74ALSxx
74Fxx
74ASxx
Spannung
5V
Leistung je Gatter
10 mW
2 mW
1 mW
4 mW
22 mW
Schaltzeit
10 ns
9 ns
4 ns
2.5 ns
1.5 ns
max. Frequenz
40 MHz
50 MHz
100 MHz
125 MHz
230 MHz
• bei Auswahl ist stets ein Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Energieverbrauch nötig Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 7
Feldeffekttransistor (FET) • n-Kanal Sperrschicht FET: UGS = 0 : FET leitend, d.h. ID > 0 für UDS > 0 UGS < 0 : FET sperrt, d.h. ID → 0 für UGS → – Umax
• p-Kanal Sperrschicht FET: UGS = 0 : leitend, d.h. ID < 0 für UDS < 0 UGS > 0 : sperrt, d.h. ID → 0 für UGS → Umax
• Vorteil: leistungslose Steuerung • Nachteil: unterschiedliche Polarität von UDS und UGS Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 8
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MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) • Weiterer Anschluß B („Bulk“) für Substrat, typischerweise mit Source verbunden • n-Kanal selbstsperrender MOS-FET: UGS = 0 : FET sperrt, d.h. ID = 0 UGS > US : FET leitend, d.h. ID > 0 für UDS > 0
• p-Kanal selbstsperrender MOS-FET: UGS = 0 : FET sperrt, d.h. ID = 0 UGS < – US : FET leitend, d.h. ID < 0 für UDS < 0
• Vorteile: leistungslose Steuerung, einheitliche Polarität von UDS und UGS Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 9
Logikschaltungen in PMOS • ausschließliche Verwendung von selbstsperrenden p-Kanal MOS-FETs • Beispiel 1: Inverter T1 realisiert Widerstand
• Beispiel 2: NAND/NOR in PMOS durch Parallel-/Reihenschaltung von weiteren MOS-FETs zu T2 • Nachteile: hohe Schaltzeiten, hohe Spannungen (US = 5V, VSS < – 10V) Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 10
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Logikschaltungen in NMOS • ausschließliche Verwendung von selbstsperrenden n-Kanal MOS-FETs • durch andere Herstellungstechnologie kürzere Schaltzeiten und kleinere Spannungen (VDD = 5V) als bei PMOS
• Beispiel: NAND-Gatter in NMOS
• weiterer Vorteil: TTL-kompatibel Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 11
Logikschaltungen in CMOS • Verwendung von selbstsperrenden n-Kanal und p-Kanal MOS-FETs (CMOS = Complementary MOS) • Beispiel 1: Inverter (stets ein Transistor gesperrt) • Beispiel 2: NAND • Vorteile: – Energie nur bei Schaltvorgang nötig, somit abhängig von Frequenz – sehr hohe Schaltungsdichte möglich Technische Informatik I, SS 2001 A. Strey, Universität Ulm
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 12
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Varianten von CMOS • Familien von MOS-Schaltkreisen: NMOS
CMOS
HCMOS
LVC
AVC
Bezeichnung
—
4xxx
74HCxx
74LVCxx
74AVCxx
Spannung
5V
3-15V
2-6 V
1.2-3.6 V
1.2-3.3 V
> 25 µW f (Freq.)
>10 µW f (Freq.)
> 25 µW f (Freq.)
7 ns
4 ns
1 ns
Leistung je Gatter
2 mW (L) > 10 µW 0 mW (H) f (Freq.)
Schaltzeit
10ns
10 ns
max. Frequenz
40 MHz
40 MHz
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~75 MHz ~100 MHz ~250 MHz
Kapitel 1: Technologische Grundlagen 13
Entwicklung der CMOS Strukturgröße
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Kapitel 1: Technologische Grundlagen 14
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