1.1. Лекция. От нуля до единицы 1План игр 2Искусство управления сложностью
 Скачать 2.34 Mb.
|
|
раздел 1.7 Глава 1 От нуля до единицы 66 Пример 1.18 РАСЧЕТ УРОВНЕЙ ШУМА Рассмотрим схему с инверторами на Рис. 1.24 . V O1 – это напряжение на выходе инвертора I1, а V I2 – напряжение на входе инвертора I2. Оба инвертора имеют следующие характеристики: V DD = 5 В, V IL = 1,35 В, V IH = 3,15 В, V OL = 0,33 В, и V OH = 3,84 В. Каковы нижний и верхний уровни шума? Может ли схема корректно обработать уровень шума в 1 В между V O1 и V I2 ? Рис. 1.24 Схема с инверторами Решение: Границы уровня шума инвертора следующие: NM L = V IL – V OL = (1,35 В − 0,33 В) = 1,02 В, NM H = V OH – V IH = (3,84 В − 3,15 В) = 0,69 В. Схема может корректно обработать шум в 1В когда на выходе НИЗКИЙ уровень (NML = 1,02 В), но не когда на выходе ВЫСОКИЙ уровень (NM H = 0,69 V). Например, предположим, что инвертор I1 имеет на выходе в наихудшем случае ВЫСОКОЕ значение, V O1 = V OH = 3,84 В. Если наличие шума вызовет падение напряжения на 1 В на входе инвертора I2, тогда V I2 = (3,84 В − 1 В) = 2,84 В. Это меньше, чем допустимое входное значение ВЫСОКОГО уровня, V IH = 3,15 В, поэтому инвертор I2 может не принять правильное входное значение ВЫСОКОГО уровня. Глава 1 От нуля до единицы 67 1.6.4 Передаточная Характеристика Для понимания предела цифровой абстракции мы должны рассмотреть поведение логических вентилей с аналоговой точки зрения. Передаточная характеристика (DС transfer characteristics) какого-либо логического вентиля описывает напряжение на выходе этого элемента как функцию напряжения на его входе, когда входной сигнал изменяется настолько медленно, что выходной сигнал успевает изменяться вслед за ним. Такая характеристика называется передаточной, поскольку описывает взаимосвязь между входным и выходным напряжением. В случае идеального инвертора переключение будет резким в точке V DD /2, как показано на Рис. 1.25 (a) . Для V(A) < V DD /2, V(Y) = V DD . Для V(A) > V DD /2, V(Y) = 0. В этом случае, V IH = V IL = V DD /2. V OH = V DD и V OL = 0. DC указывает на состояние, когда напряжение на входе электронной системы поддерживается постоянным или изменяется так медленно, что остальные параметры системы плавно изменяются вместе с ним. Исторически термин DC ведет свое происхождение от понятия постоянный ток (direct current) – метод передачи электрической энергии по схеме на расстояние, когда напряжение в линии поддерживается постоянным. В отличие от DC, переходная характеристика (transient response) схемы – это состояние, когда входное напряжение меняется быстро. Переходные процессы рассматриваются в разделе 2.9 Глава 1 От нуля до единицы 68 Напряжение при переключении реального инвертора изменяется постепенно между граничными значениями – так, как показано на Рис. 1.25 (b) . Если входное напряжение V(A) равно 0, то напряжение на выходе V(Y) = V DD . Если V(A) = V DD , то V(Y) = 0. Однако, переход между этими конечными точками плавный и может находиться правее или левее значения V DD /2. В связи с этим, возникает закономерный вопрос, как в этом случае определить логические уровни. Разумно выбрать в качестве логических уровней те две точки, где наклон передаточной характеристики dV(Y)/dV(A) равен −1. Такие точки называются граничные коэффициенты передачи (unity gain points). Подобный выбор обычно максимизирует допускаемые уровни шумов. При уменьшении V IL V OH увеличивается незначительно. Однако, если V IL растет, V OH падает практически отвесно. 1.6.5 Статическая Дисциплина Для того, чтобы избежать попадания входных сигналов в запретные зоны, логические вентили должны разрабатываться в соответствии с принципом статической дисциплины (static discipline). Принцип статической дисциплины требует, чтобы при условии наличия логически корректных сигналов на входе каждый элемент системы выдавал логически корректные сигналы на выходе. Глава 1 От нуля до единицы 69 Рис. 1.25 Передаточные характеристики и уровни шума Применение принципа статической дисциплины ограничивает свободу разработчика в выборе аналоговых элементов для построения цифровых систем, однако помогает обеспечить простоту и надежность разрабатываемых цифровых схем. Используя этот принцип, разработчик поднимается с аналогового уровня абстракции на цифровой, что увеличивает производительность проектировщика, избавляя его от рассмотрения излишних деталей. Глава 1 От нуля до единицы 70 Выбор V DD и логических уровней может быть произвольным, однако этот выбор должен обеспечить совместимость всех логических вентилей, обменивающихся данными в пределах одной цифровой системы. Поэтому вентили обычно группируются в семейства логики (logic families) таким образом, что любой элемент из одного семейства при соединении с любым другим элементом из этого же семейства автоматически обеспечивает соблюдение принципа статической дисциплины. Логические вентили одного семейства соединяются друг с другом так же легко, как и блоки конструктора Лего, поскольку они полностью совместимы по напряжению источника питания и логическим уровням. Четыре основные семейства логических вентилей доминировали с 70-х по 90-е годы прошлого века – это ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика (Transistor-Transistor Logic, или TTL), КМОП – логика, построенная на комплементарной структуре металл-оксид- полупроводник (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Logic, или CMOS), НТТЛ – низковольтная транзисторно-транзисторная логика (Low-Voltage Transistor-Transistor Logic, или LVTTL) и НКМОП низковольтная логика на комплементарной структуре металл- оксид-полупроводник (Low-Voltage Complementary Metal-Oxide- Semiconductor Logic, или LVCMOS). Логические уровни для всех этих семейств представлены в Табл. 1.4 . Начиная с 90-х годов прошлого Глава 1 От нуля до единицы 71 века, четыре вышеперечисленных семейства распались на большое количество более мелких семейств в связи со все большим распространением устройств, требующих еще более низкого напряжения питания. В приложении A.6 наиболее распространённые семейства логических вентилей рассматриваются детально. Табл. 1.4 Семейства логики с уровнями напряжения 5 В и 3,3 В Семейство логики V DD V IL V IH V OL V OH TTL 5 (4,75 − 5,25) 0,8 2,0 0,4 2,4 CMOS 5 (4,5 − 6) 1,35 3,15 0,33 3,84 LVTTL 3.3 (3 − 3,6) 0,8 2,0 0,4 2,4 LVCMOS 3.3 (3 − 3,6) 0,9 1,8 0,36 2,7 Пример 1.19 СОВМЕСТИМОСТЬ ЛОГИЧЕСКИХ СЕМЕЙСТВ Какие из логических семейств из Табл. 1.4 могут надежно взаимодействовать между собой? Решение: в Табл. 1.5 перечислены логические семейства, которые имеют совместимые логические уровни. Заметим, что пятивольтовые логические семейства, такие как TTL и CMOS, могут выдавать на выход ВЫСОКИЙ уровень в 5 В. Если этот пятивольтовый сигнал подается на вход семейству с уровнем 3,3 В, такому как LVTTL или LVCMOS, это может повредить приемник, если в спецификации последнего не указана прямо, что он «5 В-совместимый». Глава 1 От нуля до единицы 72 Табл. 1.5 Совместимость логических семейств Приемник TTL CMOS LVTTL LVCMOS Источник TTL ДА НЕТ: VOH < VIH ВОЗМОЖНОa ВОЗМОЖНОa CMOS ДА OK ВОЗМОЖНОa ВОЗМОЖНОa LVTTL ДА НЕТ: VOH < VIH ДА ДА LVCMOS ДА НЕТ: VOH < VIH ДА ДА a As если сигнал в 5 В ВЫСОКОГО уровня не может повредить вход приемника Глава 1 От нуля до единицы 73 1.7 КМОП ТРАНЗИСТОРЫ* Этот раздел, как и другие разделы, помеченные значком *, являются дополнительными и не являются абсолютно необходимыми для понимания основной темы этой книги. Аналитическая Машина Беббиджа была механическим устройством с пружинами и шестеренками, а в первых компьютерах использовались реле или вакуумные трубки. Современные компьютеры используют транзисторы, потому что они дешевы, имеют малые размеры и высокую надежность. Транзистор – это переключатель с двумя положениями «включить» и «выключить», контролируемый путем подачи напряжения или тока на управляющую клемму. Существуют два основных типа транзисторов – биполярные транзисторы (bipolar junction transistors) и МОП-транзисторы – металл-оксид-полупроводник- транзисторы (иногда говорят полевые транзисторы – metal-oxide-semiconductor field effect transistors, или MOSFET). В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments создал первую интегральную схему, состоявшую из двух транзисторов. В 1959 году Роберт Нойс, работавший тогда в Fairchild Semiconductor, запатентовал метод соединения нескольких транзисторов на одном кремниевом кристалле. В то время один транзистор стоил около 10 американских долларов. Глава 1 От нуля до единицы 74 Роберт Нойс, 1927 –1990 Родился в городе Берлингтон штата Айова и получил степень бакалавра в области физики в Гриннеллском колледже, а степень доктора наук в области физики – в Массачусетском Технологическом Институте. Роберта Нойса прозвали “мэром Силиконовой долины” за его обширный вклад в развитие микроэлектроники. Нойс стал со-основателем Fairchild Semiconductor в 1957 году и корпорации Intel в 1968 году. Он также является одним из изобретателей интегральной микросхемы. Инженеры из групп, возглавляемых Нойсом, в дальнейшем основали целый ряд выдающихся полупроводниковых компаний. (Воспроизводится с разрешения Intel Corporation © 2006 г). Глава 1 От нуля до единицы 75 Сегодня, после более чем трех десятилетий беспрецедентного развития полупроводниковой технологии, инженеры могут «упаковать» приблизительно один миллиард полевых МОП-транзисторов на одном квадратном сантиметре кристалла кремния, причем каждый из этих транзисторов будет стоить меньше десяти микроцентов. Плотность размещения транзисторов на кристалле возрастает на порядок, а себестоимость одного транзистора падает каждые восемь лет. В настоящее время полевые МОП-транзисторы – это те «кирпичики», из которых собираются почти все цифровые системы. В этом разделе мы выйдем за пределы цифровой абстракции и внимательно рассмотрим, как можно построить логические вентили из полевых МОП-транзисторов. 1.7.1 Полупроводники МОП-транзисторы изготовляются из кремния – элемента, преобладающего в скальной породе и песке. Кремний (Si) – это элемент IV атомной группы, то есть он имеет четыре валентных электрона, может образовывать связи с четырьмя соседними атомами и, таким образом, формировать кристаллическую решетку (lattice). На Рис. 1.26 (a) , для простоты, кристаллическая решетка показана в двумерной системе координат, однако полезно помнить, что реальная кристаллическая решетка имеет форму куба. Линия на Рис. 1.26 (a) Глава 1 От нуля до единицы 76 изображает ковалентную связь. По своей природе, кремний – плохой проводник, потому что все электроны заняты в ковалентных связях. Однако проводимость кремния улучшается, если добавить в него небольшое количество атомов другого вещества, называемого примесью (dopant). Если в качестве примеси используется элемент V атомной группы, например, мышьяк (As), то в каждом атоме примеси окажется дополнительный электрон, не участвующий в образовании ковалентных связей. Этот свободный электрон может легко перемещаться внутри кристаллической решетки. При этом атом мышьяка, потерявший электрон, превращается в положительный ион (As + ), как показано на Рис. 1.26 (b) . Электрон имеет отрицательный заряд (negative charge), поэтому мышьяк принято называть примесью n-типа (n-type dopant). Если же в качестве примеси используется элемент III атомной группы, например, бор (B), то в каждом из атомов примеси будет не хватать одного электрона, как показано на Рис. 1.26 (c) . Отсутствующий электрон называют дыркой (hole). Электрон из соседнего атома кремния может перейти к атому бора и заполнить недостающую связь. При этом, атом бора, получивший дополнительный электрон, превращается в отрицательный ион (B − ), а в атоме кремния возникает дырка. Таким образом, дырка может мигрировать в кристаллической решетке подобно электрону. Дырка – это всего лишь отсутствие отрицательного заряда, но она ведет себя в полупроводнике как положительно заряженная частица. Глава 1 От нуля до единицы 77 Именно поэтому бор называют примесью p-типа (p-type dopant). А поскольку проводимость кремния может меняться на порядки в зависимости от концентрации примеси, кремний называют полупроводником (semiconductor). Рис. 1.26 Кремниевая решетка и атомы примесей 1.7.2 Диоды Диод (diode) – это соединение полупроводника p-типа с полупроводником n-типа, как показано на Рис. 1.27 . При этом область p-типа называют анодом (anode), а область n-типа называют катодом (cathode). Когда напряжение на аноде превышает напряжение на катоде, диод открыт (forward biased), и ток Рис. 1.27 Структура диода с p-n-соединением и его обозначение Глава 1 От нуля до единицы 78 через него течет от анода к катоду. Если же напряжение на аноде ниже напряжения на катоде, то диод закрыт (reverse biased), и ток через диод не течет. Символ диода очень интуитивен и наглядно показывает, что ток через диод может протекать только в одном направлении. 1.7.3 Конденсаторы Конденсатор (capacitor) состоит из двух проводников, отделенных друг от друга изолятором. Если к одному из проводников приложить напряжение V, то через некоторое время этот проводник накопит электрический заряд Q, а другой проводник накопит противоположный электрический заряд −Q. Емкостью (capacitance) C конденсатора называется отношение заряда к приложенному напряжению C = Q/V. Емкость прямо пропорциональна размеру проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Символ, используемый для обозначения конденсатора, показан на Рис. 1.28 Рис. 1.28 Обозначение конденсатора Глава 1 От нуля до единицы 79 Технические специалисты компании Intel не могут войти в высокочистое помещение, где производятся микросхемы, без защитного комбинезона Gore-Tex, называемом на профессиональном сленге «костюмом кролика» (bunny suit). Наличие такого комбинезона предотвращает от загрязнения кремниевые подложки с микроскопическими транзисторами на них от частиц одежды, кожи или волос. (Воспроизводится с разрешения корпорации Intel©, 2006 год). Емкость – это очень важный параметр электрической схемы, поскольку зарядка или разрядка любого проводника требует времени и энергии. Более высокая емкость означает, что электрическая схема будет работать медленнее и потребует для своего функционирования больше энергии. К понятиям скорости и энергии мы будем постоянно возвращаться на протяжении всей этой книги. Глава 1 От нуля до единицы 80 1.7.4 n-МОП и p-МОП-транзисторы Полевой МОП-транзистор представляет собой «сэндвич» из нескольких слоёв проводящих и изолирующих материалов. «Фундамент», с которого начинается построение полевых МОП-транзисторов, – это тонкая круглая кремневая пластина (wafer) приблизительно от 15 см до 30 см в диаметре, в русскоязычной литературе называемая подложкой, вафлей или вэйфером. Производственный процесс начинается с пустой подложки. Этот процесс включает заранее определенную последовательность операций, в ходе которой примеси имплантируются в кремний, на подложке выращиваются тонкие пленки кремния и диоксида кремния и наносится слой металла. После каждой операции на подложку в качестве маски наносится определенный рисунок (pattern), чтобы наносимый в ходе следующей операции материал оставался лишь в тех местах, где он необходим. Поскольку размеры одного транзистора – это доли микрона 2 , а вся подложка обрабатывается в ходе одного производственного процесса, когда одновременно производятся миллиарды транзисторов, себестоимость одного транзистора существенно снижается. После того, как все операции завершены, подложка нарезается на прямоугольные кристаллы, называемые в англоязычной литературе chip или dice, 2 1 μm = 1 мкм = 10 –6 м. |