Štruktúra logických obvodov

Štruktúra logických obvodov :

Logické obvody z hľadiska vnútornej štruktúry (zapojenia) môžu byť realizované buď z diskrétnych prvkov (tranzistorov, diód, odporov, kondenzátorov) alebo ako integrované logické obvody. Tieto môžu byť ako hybridné v kompaktnom prevedení na keramickej doštičke realizované s čípov aktívnych súčiastok a vrstvových pasívnych súčiastok, alebo v prevedení ako monolitické, kde aktívne a pasívne prvky sú realizované na jednej kremíkovej doštičke. V súčasnosti sú najpoužívanejšie monolitické obvody realizované unipolárnou alebo bipolárnou technológiou.

Podľa množstva prvkov umiestnených (integrovaných) na jednej polovodičovej  doštičke rozdeľujeme logické integrované obvody do niekoľkých skupín. Jednotkou (mierou) stupňa integrácie je tzv. ekvivalentný logický člen.  Vychádza sa z predpokladu, že všetky bežné číslicové IO možno realizovať z určitého počtu dvojvstupových logických členov. Stupeň integrácie logických obvodov je potom následovný :

  • malý     – SSI ( Small Scale Integration ),
    • menej ako 15 ekvivalentných logických členov,
  • stredný – MSI ( Medium Scale Integration )
    • 15 až 100 ekvivalentných členov,
  • veľký    – LSI ( Large Scale Integration )
    • niekoľko 100 ekvivalentných členov,
  • zvlášť veľký – ELSI ( Extra Large Scale Integration )
    • niekoľko 1000 ekvivalentných členov.

Technológie výroby IO

V súčasnosti vyrábané logické obvody a ich hradlá sú zostavené s tranzistorov, ktorých je na jednej polovodičovej doštičke integrovaných niekoľko.

K dosiahnutiu veľkej hustoty integrácie hradiel, ktorá je priamo úmerná a viazaná s potrebou čo najmenšieho príkonu, ceny a veľkej rýchlosti sú integrované obvody realizované v súčasnosti jednou s unipolárných technológií MOS (Metal Oxid Semiconductor), bipolárnou technológiou (TTL) alebo kombináciou týchto technológií BiCMOS. V podstate sa používajú tri základné unipolárne technológie MOS (PMOS, NMOS, CMOS). Ich označenie priamo vyplýva z typu kanálu (Gate) tranzistora MOS, ktorým je IO tvorený. Prehľad týchto technológií ukazuje tabuľka :

 

Bipolárna technológia :

Bipolárna technológia výroby tranzistorov vznikla ako prvá už v šesťdesiatych rokoch a umožnila výrobu prvých bipolárnych TTL logických obvodov. Už v roku 1965 vznikla prvá štandardná skupina logických TTL obvodov. Od tejto doby je stále technologicky modifikovaná. Hlavnými požiadavkami, do značnej miery protichodnými bolo zvýšenie rýchlosti a zníženie príkonu.  Pre rýchlosť je rozhodujúca veľkosť elektrického náboja na prechode PN bipolarného tranzistora (veľkosť kapacity prechodu) a rýchlosť, s akou sa môže tento náboj meniť. Zvýšenie  rýchlosti je možné dosiahnúť zvýšením rýchlosti zmeny náboja, teda znížením veľkosti odporov v obvodovom riešení logického obvodu. Dôsledkom zníženia veľkosti odporov však je zvädšenie príkonu. Touto úpravou vznikla už v počiatkoch výroby TTL logických obvodov rýchla rada TTL označovaná písmenom “H” (Hi Speed). A opačne, zvýšením odporov v obvodovom riešení vznikla rada z nízkym príkonom označovaná písmenom “L”. (Low Power). Došlo však k drastickému zníženiu rýchlosti. Obe tieto rady boli prekonané a dnes sa už nevyrábajú.

Veľkým pokrokom bolo použitie Schottkyho diód v štruktúre tranzistorov. U tejto technológie výroby je PN prechod medzi polovodičom typu P a polovodičom typu N  u bipolarného tranzistora nahradený prechodom medzi kovom a polovodičom. Táto technológia je charakterizovaná extrémne krátkymi spínacími časmi. Do výroby bola táto technológia zavedená v roku 1970 a obvody sa označujú písmenom „S”. Vznikla aj modifikácia s nízkym príkonom označovaná “LS”. Ďalšie snahy o zvyšovanie rýchlosti TTL logických obvodov sa zamerali na zmeny v technológií výroby a to na zmenšovanie PN prechodu (menšia kapacita prechodu) a znižovanie parazitných kapacít (kolektor – substrát a i.). Tak vznikly rady “AS”  (Advanced Schottky) a “ALS” (Advanced Low Power Schottky) ktoré na trh uviedla firma Texas Instruments. Podobnú stratégiu zvolila i firma Fairchild a v roku 1979 vyvinula technológiu Fairchild Advanced Schottky TTL (FAST). Obvody vyrábané touto technológiou sú označované písmenom “F”. Tieto obvody sú asi o 30% rýchlejšie ako obvody “S” pri 4 až 5 krát nižšom príkone. Obvody “F” majú aj  najlepší pomer rýchlosti k príkonu zo všetkých typov TTL.

Schématická značka bipolárnych tranzistorov PNP a NPN.

 

Prehľad typov TTL logických obvodov vyrábaných bipolárnymi technológiami :

Vďaka logickým obvodom TTL rady 74xx sa presadilo jednotné napájacie napätie 5 V a vstupná a výstupná úroveň logickej nuly a logickej jednotky, ktoré sú vyžadované i u integrovaných obvodov založených na iných princípoch a technológiách.

Invertor realizovaný bipolarnými tranzistormi.

Následne sa stále viac presadzovla TTL logika s napájaním 3.3V. V roku 1996 bol podiel 3V logiky v nových konštrukciách vyšší než logiky s napájaním 5V a tento podiel sa stále zvyšuje. Vedúcou firmou vo vývoji a výrobe 3V logiky je Texas Instruments s 50 % podielom na trhu.

Unipolárna technológia :

U obvodov vyrábaných touto technológiou je základom kremíkový planárny tranzistor riadený poľom. Unipolárne tranzistory majú oproti bipolárnym tranzistorom menší príkon a umožňujú vysokú hustotu integrácie. Táto technológia umožňuje dosahovať stupne integrácie  LSI (Large Scale Integration) a ELSI ( Extra Large Scale Integration ). Majú však nižšiu rýchlosť a malý výstupný prúd. Základné rady unipolárnych logických obvodov sú rada CMOS 4000 a rada CMOS 4500.

Unipolárnych technológií je strašne veľa. Odlišujú sa typom vodivosti kanálu tranzistora, jeho morfológiou, použitými materiálmi a výrobnými postupmi.  No základ unipolárnych technológií tvoria tri základné technológie MOS, podľa typu použitého tranzistora :

  1. PMOS – unipolárny tranzistor s kanálom P
  2. NMOS – unipolárny tranzistor s kanálom N
  3. CMOS – použitý tranzistor s kanálom P aj N

U obvodov PMOS je základným prvkom unipolárny tranzistor s kanálom P. Vďaka malým rýchlostiam spínania, vyšším napájacím napätím a tým aj zlej zlúčiteľnosti s obvodmi TTL  samotná technológia PMOS nie je perspektívna. Tranzistory PMOS i napriek tomu hrajú významnú úlohu v kombinovanej technológii CMOS.

Technológia NMOS je vďaka svojím vlastnostiam dnes základná a východzia i pre ďalšie výrobné postupy.  U obvodov NMOS je základným prvkom tranzistor s kanálom N, ktorý je vďaka pohyblivejším nosičom náboja – elektrónom v princípe asi  trikrát rýchlejší ako tranzistor PMOS. Zvyšovaním integrácie a s tým spojené zmenšovanie rozmerov tranzistorov, tým aj znížovanie parazitných kapacít (menšia plocha) a vzdialeností  však skoro viedlo k dosiahnutiu ešte väčšej rýchlosti týchto obvodov v porovnaní s obvodmi PMOS. Tieto obvody sú aj lepšie zlučiteľné s obvodmi TTL pri spoločnom napájacom napätí 5 V.

Technológia CMOS (Complementary MOS) je technológia, ktorá s úspechom spája výhody tranzistora NMOS ako základného stavebného prvku obvodov CMOS pričom využíva aj tranzistor PMOS.  Tranzistor NMOS ako základný spínač s aktívnou záťažou tvorenou tranzistorom PMOS. Oba tranzistory sú navzájom komplementárne  a predstavujú ovládanú záťaž.

Zapojenie tranzistorov PMOS a CMOS (invertujúci protitaktný zosilňovač).

Takáto štruktúra zapojenia unipolárnych tranzistorov dovoľuje dosiahnúť široké rozmedzie napájacieho napätia od 2 V do 18 V, dobrú šumovú imunitu až 45% napájacieho napätia,  zlučiteľnosť z logickými obvodmi TTL a extrémne nízky príkon.  V porovnaní s bipolárnou technológiou je unipolárna technológia CMOS nezrovnateľne úspornejšia. Zatiaľ čo napríklad bipolárny invertor obsahuje štyri tranzistory, tri odpory a diódu, unipolárny CMOS inverutjúci zosilňovač obsahuje iba dva MOS tranzistory.

Jedinou nevýhodou by mohla byť oproti NMOS technológií  väčšia náročnosť pri výrobe CMOS obvodov (vytvoriť NMOS aj PMOS tranzistor) a tým aj vyššie náklady na výrobu a vyššia cena týchto obvodov. No tento argument stráca váhu pri ďalších spomenutých výhodách tejto technológie.

Technológia BiCMOS používa na jednom čípe bipolárne aj unipolárne tranzistory a spája tak výhody bipolárnej a unipolárnej technológie. Jadro obvodu je tvorené unipolárnou technológiou  a výstupné časti sú tvorené bipolárnou technológiou.

Tabuľka s orientačnými údajmi pre porovnanie rôznych typov logických obvodov :

Zásady pri práci s obvodmi CMOS

Logické obvody vyrábané technológiou MOS sú veľmi citlivé na statickú elektrinu, preto je treba pri práci s nimi dodržovať niekoľko dôležitých zásad :

  1. prepravovať a skladovať tieto obvody v antistatických obaloch, po rozbalení vývody obvodov skratovať napríklad uhlíkom plnenými plastmi,
  2. pri práci s týmito obvodmi zabrániť vzniku elektrostatického náboja,
  • doska pracovného stolu by mala byť vodivá a uzemnená,
  • nepoužívať pri práci syntetické tkaniny (poťahy, odev),
  • zvlhčovať vzduch  na pracovisku,
  1. všetky prístroje, pracovné pomôcky, doska stolu a pracovník musia byť na rovnakom potenciáli, musia byť prepojené,
  2. pri práci a manipulácii s obvodmi sa nedotýkať vývodov obvodu,
  3. nepoužívať pištolové pájkovačky a tepelne nepreťažovať obvody pri pájkovaní a osadzovaní do plošného spoja,
  4. logický signál na vstup obvodu sa môže priviesť až po privedení napájacieho napätia na obvod,
  5. obvody a dosky s osadenými obvodmi sa môžu vyberať z pätíc až po odpojení napájacieho napätia,
  6. nepoužité vstupy obvodu musia byť pripojené podľa funkcie buď na Uss alebo Udd.