ΕΝΟΤΗΤΑ 3Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS 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 n-διαύλου 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 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 low-high 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): 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 εισόδου-εξόδου 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 Schmitt-trigger

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.