مدارهاي مجتمع ديجيتال
خلاصه اي از مطالب کتاب
Digital Integrated Circuit اثر THOMAS A.
DEMASSA و ZACK CICCONE است که آزادانه ترجمه شده و برخي از فصول به فراخور
سرفصل مطالب درس الکترونيک ديجيتال حذف و در برخي از فصل ها مطالبي افزوده
و يا پاراگراف هايي چند حذف شده است.
مولف در 11 فصل نخستين کتاب، مدارهاي ديجيتال دوقطبي (BJT) را مورد مطالعه
قرار داده مي دهد و از فصل 12 به بعد به بررسي مدارهاي ديجيتال MOS شامل
مدارهاي NMOS و CMOS پرداخته است پس از بررسي خانواده BICMOS به مقايسه
انواع خانواده هاي منطقي و ارتباط دهي مي پردازد سرانجام به عنوان نمونه اي
از مدارهاي پيچيده ديجيتال انواع حافظه هاي ROM و SRAM را بررسي مي کند.
فصل 1 : تعاريف و مشخصات IC هاي ديجيتال: اين
فصل به معرفي تعاريف و مشخصات عمومي مدارهاي ديجيتال مي پردازد
فصل 2: ديودها: در اين فصل پيوندهاي PN و
ديودهاي شاتکي معرفي مي شوند؛ در مدارهاي ديجيتال اين عناصر اهميت زيادي
دارند و به عنوان اختلاف دهنده هاي سطح DC، مدارهاي محافظ در ورودي،
برش دهنده هاي سطح سيگنال و حتي خازن هاي متغير و کنترل شده با ولتاژ مورد
استفاده قرار مي گيرند. اين فصل با بررسي مدل مداري ديودهاي نيمه هادي آغاز
مي شود، سپس خانواده مدارهاي منطقي ديود- ترانزيستور معرفي مي شود. اين
خانواده ساده ترين خانواده مدارهاي منطقي بوده و داراي معايب زيادي است و
در انتهاي اين فصل چگونگي عملکرد ديودهاي برش دهنده و ديودهاي اختلاف دهنده
سطح DC توضيح داده شده است.
فصل 3: ترانزيستورهاي پيوندي دوقطبي(BJT): در اين فصل، مراحل ساخت
ترانزيستورهاي دوقطبي NPN و PNP توضيح داده مي شود. مدل ابرز- مول و انواع
حالت هاي عملکرد ترانزيستور نيز مورد بررسي قرار مي گيرد. همچنين در مورد
مدل Gummel-poon BJT و مدل SPICE براي ترانزيستورهاي BJT بحث خواهد شد.
فصل4: مقدمه اي بر مدارهاي ديجيتال دوقطبي: اين فصل بر روش هاي تحليل
مدارهاي ديجيتال دوقطبي مروري دارد. روش هاي محاسباتي بکار رفته شده در اين
فصل، براي فصل هاي بعدي بسيار مفيد است. همانطور که خواهيم ديد، تحليل
مدارهاي ديجيتال مبتني بر ترانزيستورهاي دوقطبي از يک الگوي خاص پيروي
مي کند. ترانزيستورها، ديودها و مقاومت ها هرکدام براي يک هدف خاص در مدار
قرار داده شده اند و در حالت عملکرد خاصي کار مي کنند. دانستن وضعيت عملکرد
ترانزيستورها و ديودها به حل سريعتر مدار کمک مي کند. براي بررسي اصول
عملکرد مدارها، ابتدا مدارهاي منطقي پايه مورد بررسي قرار مي گيرند.
مدارهاي پايه مورد بحث در اين فصل عبارتند از مدارهاي منطقي ديود- مقاومت و
معکوس کننده هاي ترانزيستوري(BJT). معکوس کننده هاي ترانزيستوري با استفاده
از يک ترانزيستور اميتر مشترک، وارونگر منطقي ساده اي را پياده سازي مي کند.
اين مدار منطقي پايه ما را به خانواده منطقي ترانزيستور- ترانزيستور(TTL)
راهنمايي خواهدکرد. براي تکميل مطالب اين فصل، يک بلوک دياگرام عمومي براي
خانواده TTL به همراه عملکرد اساسي ديود و ترانزيستور در آن نيز مورد بررسي
قرار گرفته است. موارد مطرح شده بطور گسترده در فصل هاي بعدي مورد استفاده
قرار خواهد گرفت.
فصل5: خانواده منطقي RTL: در فصل هاي بعدي انواع خانواده هاي BJT به ترتيب
زمان ساخته شدن مورد بررسي قرار خواهند گرفت. حدوداً هر 5 سال يک زيرمجموعه
جديد BJT معرفي شده که شروع آن با RTL در سال 1962 بود. نمونه هاي بعدي (STTL,
TTL, DTL) در واقع نسخه هاي بهبود يافته گيت هاي قبلي بودند. گيت عمومي و
پايه TTL در بخش 3-4 توضيح داده شد.در اين فصل به بررسي خانواده منطقي RTL
مي پردازيم؛ نام RTL از ابتداي اسامي مقاومت، ترانزيستور و منطق گرفته شده
است، RTL اولين خانواده منطقي به شمار مي رود. معکوس کننده ها و بافرها،
گيت هاي AND, OR, NAND, NOR همه را مي توان در خانواده منطقي خانواده RTL
پياده سازي کرد. در نمونه هاي کم مصرف بايد اندازه مقاومت ها را بزرگ
انتخاب کرد و در نمونه هاي پرمصرف (سريعتر) بايد مقاومت ها را کوچکتر
انتخاب کرد.
فصل6: خانواده منطقي DTL: براي بهبود عملکرد و اصلاح مدارهايRTL در فصل قبل،
مدارهاي منطق ديود- ترانزيستور يا DTL بر اساس طرح مدارهاي قبلي ارائه شدند.
همانطور که از نام اين خانواده پيداست، در طراحي خانواده منطقي DTL از
ديودها و ترانزيستورهاي BJT استفاده مي شود. در سال 1964 يک نسخه از DTL
توليد شد و نزديک به 10 سال پس از توليد، استاندارد خانواده IC هاي ديجيتال
شد. اين نوع از مدارهاي DTL با عنوان سري 930 فروخته مي شدند؛ ساختن اين
خانواده به شکل IC کار ساده اي بود، اين خانواده تا سال 1980 نيز در برخي
کاربردها مورد استفاده فرار مي گرفت.
فصل7: خانواده منطقي TTL در سال 1965 معرفي شد؛ همانطور که از اسم اين
خانواده پيداست، در آن به جاي ديودها در خانواده DTL از ترانزيستورها (BJT)
استفاده شد. در نتيجه مدارهاي TTL، مقدار خروجي دهي را افزايش دادند، واکنش
ترانزيستور را بهبود بخشيدند، و فضاي مورد نياز در سطح چيپ را کاهش دادند.
اولين سري از خانواده منطقي TTL، 54X00/74X00 هستند. سري 74X00 براي مقاصد
تجارت مناسب بوده ودر محدوده دمايي صفر تا170 درجه سانتيگراد کار مي
کند.سري 54X00از نظر عملکرد منطقي مشابه سري 74X00 هستند با اين تفاوت که
در سرتاسر محدوده دمايي 55- تا125 درجه سانتيگراد عمل مي کنند وعمدتاً براي
مصارف نظامي مورد استفاده قرار مي گيرند.همانطور که خواهيد ديد افزودن مدار
بالابر درخانواده TTL مهمترين ويژگي نسبت به خانواده DTL به شمار مي رود به
همين دليل خازن معادل خروجي سريعتر شارژ شده وکار آيي مدار بيشتر مي شود.
فصل8: خانواده منطقيSTTL در سال 1970 ارائه شد؛ازترانزيستورهاي BJT محدود
شده با ديود شاتکي(SBJT) به جاي ترانزيستورهBJT معمولي استفاده شد. به
علاوه در سال 1975 ،STL هاي کم مصرف (LSTTL)براي اولين بار ساخته شد که در
آن به منظور کاهش توان تلفاتي ، مقادير مقاومت ها مورد استفاده را افزايش
دادند.ديديم که درTTL ها افزايش مقدار مقاومتهاي مدار مشکلاتي را بوجود مي
آورد،که از جمله مي توان به افزايش زمان تاخير انتشار وکاهش خروجي دهي مدار
اشاره کرد.نخستين مزيت استفده از ترانزيستورهاي محدود شده با ديود شاتکي (اين
ترانزيستور ها را ترانزيستور شاتکي نامگذاري مي کنيم)بهبودباسخ گذاري مدار
است؛ چون ترانزيستورهاي شاتکي نمي توانند در حالت اشباع کار کنند، تاخير
ذاتي در آنه به طور قابل توجهي کاهش يافته وسرعت سوئيچ افزايش مي يابد .در
اين فصل با بررسي ديود هاي شاتکي وترانزيستورهاي شاتکي آغاز مي کنيم.
فصل9: خانواده ASTTL:در سال 1985 شرکت تگزاس اينسترومنت دو زير خانواده
توسعه يافته از مجموعه TTL را ارائه کرد که اين اعضاء جديد خانواده
TTLعبارت بودند از:
1- TTL شاتکي توسعه يافته (ASTTL) که يک نسخه بهبود يافته مدار STTL است.
2- TTL شاتکي کم مصرف توسعه يافته (ALSTTL)که يک نسخه بهبود يافته
مدارLSTTL است (نه يک نسخه کم مصرف ازASTTL). 3- TTL شاتکي توسعه يافته
شرکت (FAST)Fairchild که از نظر کار آئي (توان مصرفي – سرعت) مابين ASTTL و
ALSTTL قرار دارد. در اين زيرخانواده ها ازاز ترانزيستورهاي BJT بهتر
استفاده شده است. اين ترانزيستورها در مدارهي مجتمع با کوچکترين اندازه mm
3 ( در مقايسه با mm 5 درTTL هاي قبلي) بين ديوارهي بيس واميتر ساخته مي
شوند. براي کنترل مناسب پيوندهاي کم عمق از تکنولژي کاشت يوني استفاده شد.
استفاده از ايزو لاسيون اکسيدي (همانطور که بخش 2-3 توضيح داده شده)، به
جاي ايزولاسيون پيوندهاي ظرفيت خازني ناشي از پيوندهاي جداساز را حذف کرد
که اين خود محدوديت فرکانسي را کاهش داده وباعث مي شود گره هاي مدار سريعتر
شارژ شود؛در نتيجه اين بهبود،تاخير انتشارتا 5/1 نانو ثانيه کاهش پيدا
کرد.در قسمت ورودي گيتهاي ASTTL و ALSTTL ، از ترانزيستورهاي PNP استفاده
شده است که جريان ورودي در حالت پائين را تا75% کاهش مي دهد؛کاهش اين جريان
تاخير انتشار را کاهش مي دهد،درحالي که تلف توان در آن در همان حدود معمول
20 که در فصل قبلي محاسبه شد ، باقي مي ماند. بايد توجه داشت که
ترازيستورهاي کوچک استفاده شده در ASTTL به دليل عمق نفوذ کمتر ونازک بودن
اکسيد درآن ، در مقابل تخليه الکترو استاتيکيبيشتر صدمه مي بينند.در اين
فصل 3 زير خانواده TTL شاتکي توسعه يافته ، به طور کامل معرفي خواهد شد.
فصل 10:انواع ديگر گيت هاي TTL:در فصل هاي قبل انواع خانواده هي منطقي TTL
مورد بررسي قرار گرفتند؛خانواده هاي RTL و DTL در طي سالها وپس از اصلاحات
با خانواده هايSTTL و ASTTL جيگزين شدند. در مباحث گذشته از گيتهي معکوس
کننده NAND چند ورودي ، استفاده مي شد. در حالي که خانواده منطقي TTL مي
تواند تابع منطقي پايه ديگري رامثل AND ، OR و NOR پياده سازي کنند. در اين
فصل خواهيم ديد با تغييرات اندکي مدارNAND استاندارد 5400/7400 در خانواده
TTL استاندارد، مي توان ساير توابع را بوجود آورد. در تکاليف انتهاي فصل ،
زير خانواده هاي مختلف بيشتري از TTL را خواهيد ديد. مدارهاي توابع منطقي
مختلف را در اين فصل بيابيد.
فصل11: خانواده منطقي اميتر کوپل(ECL):خانواده ديگري که از ترانزيستور هاي
دوقطبي استفاده مي کند،منطق اميتر کوپل پايه نام دارد؛ اين خانواده از
ترانزيستورهايي استفاده مي کند که اميتر آنها به يکديگر متصل شده اند. اين
ساختار( اميتر هي متصلبه هم) که زير بناي مدارهيECL است ،در مدار هاي
آنالوگ همانند تقويت کننده تفاضلي نيز نقش يک سوئيچ جريان آنالوگ را بازي
مي کند. ترانزيستورهاي معکوس کننده خروجي در خانواده ECL استفاده نمي شود؛
در اين خانواده ترانزيستورها فقط در نواحي فعال مستقيم وقطع کار مي کنند و
وارد ناحيه اشباع نمي شوند؛ برخلاف زير خانواده هاي شاتکي ترانزيستور هاي
استفاده شده درخانوادهECL از نوع شاتکي نيستند.باتوجه به اشباع نشدن
ترانزيستورها در ECL نيازي به مدارهاي اضافي براي تسريع مدارهاي بالابر يا
پائين بر نيست ومدارها ساده تر هستند . مشخصات مربوط به خروجي دهي وسرعت
سوئيچ کردن در خانواده ECL نسبت به خانواده TTL بهتر است ؛به طوري که
زمانهاي تاخير در اين گيت حدود1nsec فرکانس کاري بيشتر از1GHz است ودر قبال
اين ويژگي ها ، توان مصرفي افزايش مي يابد؛ در واقع افزايش توان مصرفي 25 ،هزينهاي
است که بايد به منظور افزايش سرعت و خروجي دهي پرداخت. همانطور که مي بينيم
،سوئينگ منطقي درECL ، نسبت به زير خانواده هاي TTL کمتر است . سوئينگ
منطقي کوچک به همراه استفاده از زوج ترانزيستورهاي اميتر کوپل ومنبع جريان
ثابت وعدم استفاده از طبقه خروجي Totem-Polo ،جريانهاي سوزني را حذف کرده
وحساسيت کمتري در مقابل نويز ايجاد مي کند. اين فصل سوئيچ جريان ECL
رامعرفي کرده وبلوک دياگرام مربوط به مدارهاي ويژهECL را ارائه مي دهد .
اولين نمونه تجاري مورد استفاده، با عنوانMECLI در سال 1962 توسط شرکت
موتورلا ارائه شد ؛در مدار MECLI تاخير انتشار 8 نانو ثانيه بوده ومدارهاي
فليپ فلاپ ساخته شده درMECLI مي توانستند با سرعت 30MHz سوئيچ کنند.
فصل 12: ترانزيستورهاي اثر ميدانيMOS:مهمترين ترانزيستورهاي اثر ميداني
مورد استفاده در IC هاي منطقي ديجيتال، ترانزيستور کانال N سييليکني نسبت
به نوع افزايشي است. با توجه قابليت تحرک بالاي الکترونها ، اين نوع
ترانزيستور نسبت به ترانزيستورهاي PMOS مشخصات بهتري دارد. بعلاوه قطع بودن
ترانزيستورهاي افزايشي بصورت پيش فرض وقتي هيچ ولتاژي به آنها اعمال نمي
شود، اين قطعات را براي استفاده در مدار هاي ديجيتال ايده آل مي کند .اما
در ادامه روند پيشرفت مدارهاي ديجيتال ،استفاده از زوج ترانزيستورهاي NوP
نتايج بهتري را از نظر مصرف توان ،سرعت سطح مصرفي ارائه داد. مراحل ساخت
ترانزيستورهاي سيليکنيNMOSوCMOS کانال N را بخدمت مي گيرند. وقطعه اصلي در
هرگيت، ترانزيستور کانالNافزايشي است. در حالي که قطعه بار مي تواند يک
ترانزيستور افزايشي يا يک ترانزيستور کاهشي باشد. به دليل حجم کوچک ومصرف
توان کمتر ترانزيستورهاي NMOSوCMOS نسبت به ترانزيستورهاي BJT ، اين
ترانزيستورها به فراواني در مدارهاي VLSIو ULSI استفاده مي شوند. اين فصل
اصول عملکردترانزيستورMOS سيليکني راکه شامل مطالبي همچون شکل هندسي ،
مشخصه جريان – ولتاژ، پارامترها و مدل سازيSPICEاست، بررسي مي کند.
فصل13:معرفي مدارهاي ديجيتالMOS:تکنولوژي MOS امروزه به عنوان تکنولژي غالب
در ساخت مدارهاي ديجيتال مطرح است ودر بيش از 90% ازمدارهاي ساخته شده
برمبناي اين تکنولژي قرار دارد . خانواده هاي منطقي MOS مهمي وجود دارندکه
در ساخت مدارهاي مجتمع ديجيتال از آنها استفاده مي شود. مهمترين آنها
عبارتند از خانواده هاي NMOS ، CMOS و HCMOS . هريک از ترانزيستورهاي MOS
نه تنها به عنوان قطعات فعال بلکه همچنين به عنوان عناصر بار نيز استفاده
مي کنند. در خانواده NMOS صرفاً از ترانزيستورهاي نوعN استفاده مي شود. آن
زمان امکان ساخت همزمان ترانزيستورهاي N وP در يک چيپ وجود نداشت، در حالي
که با ظهور تکنولوژي CMOS و HCMOS از هر دو نوع ترانزيستورN و P استفاده شد.
حرف C مخفف کلمه Complementery وبه معني استفاده از ترانزيستورهاي N و P مي
باشدوحرف H مخفف کلمه High و به معني سرعت ودانسته بالاست. بايد توجه داشت
که ديودهاي پيوندي PN ، بعضي اوقات براي محافظت گيتهاي MOS درمقابل بارهاي
الکترواستاتيکي مورداستفاده قرار مي گيرند،ولي اين ديود ها به عنوان يک
المان اصلي در خانواده هاي MOS به حساب نمي آيند . در اين فصل تأکيد بيشتر
بر روي ترانزيستورهاي نوع N افزايشي است. اين ترانزيستورها،عنصر اصلي
خانواده هاي منطقي NMOSبه شمار مي روند.
فصل14:معکوس کننده NMOS با بار مقاومتي :اين فصل به معکوس کننده NMOS با
بار مقاومتي اختصاص دارد؛عملکرد اين نوع معکوس کننده بسيار ساده است ،البته
در همه جا قابل استفاده نيست وموارد استفاده بسيار کمي دارد.بررسي اين مدار
به درک مفاهيم بنيادي در خانواده هاي MOS کمک مي کند. در فصل قبلي عملکرد
اين خانواده به اختصار مورد بررسي قرار گرفت .اين فصل به طور دقيق به آن
خواهد پرداخت ومباحث تحليل ترسيمي، آناليز منحني مشخصه انتقال ولتاژ وتلفات
توان بطور کامل در اين فصل مرور خواهد شد و در انتهاي فصل به منظور تأييد
نتايج بدست آمده يک شبيه سازي SPICE نيز خواهيم داشت.
فصل15:معکوس کنندهNMOS با بار اشباع شونده: در اين فصل عملکرد معکوس کننده
NMOS با بار اشباع شونده توضيح داده شده است . اين معکوس کننده به جاي
مقاومت بار،از يک ترانزيستورNMOS اشباع شده استفاده مي کند. عملاً مقاومت
پسيو که سطح مصرفي آن هزاران برابر يک ترانزيستور است حذف شده است.
فصل16: معکوس کنندهNMOS با بارخطي:VOH در اين معکوس کننده مي تواندتاVDD
افزايش يابد.در فصل قبل ديديم که افزايش VOH ، سبب مي شود ترانزيستور سوئيچ
سطح کمتري را در چيپ اشغال نمايد. در اين معکوس کننده به منظور افزايش VOH
ناچار هستيم که از يک منبع تغذيه اضافي استفاده کنيم که خود نوعي عيب شمار
مي آيد و عملاً اين نوع معکوس کننده ها هم استفاده چنداني ندارد.
فصل17: معکوس کنندهNMOS با بارتخليه اي:در اين معکوس کننده ازيک ترانزيستور
NMOS تخليه اي که پايه هاي سورس ودرين آن به هم وصل شده است،به عنوان بار
استفاده مي شود. در اين معکوس کننده مزيتVDD= VOHوجود دارد،بدون اينکه لازم
باشد از منبع اضافي VGG استفاده کنيم.علاوه بر اينکه شيب ناحيه گذر در
مشخصه انتقال ولتاژ، حتي با وجودنسبت W/L کوچکتر براي ترانزيستورها، بيشتر
است. در خانواده هاي NMOS ،اين بار بيشتر از ساير انواع مورد استفاده قرار
گرفت. براي ساخت ترانزيستور هاي تخليه اي ،يک مرحله اضافي براي تشکيل کانال
بايد انجام شود،ولي با وجود تکنولوژي پيشرفته اين مرحله از ساخت به سادگي
انجام مي شود.
فصل18:گيت هاي NMOS:در چهار فصل قبل خانواده هاي منطقي مهم NMOS وعملکرد
آنها در غالب معکوس کننده شرح داده شدند.اساس کار هر کدام از خانواده ها بر
پايه يک ترانزيستور NMOS به عنوان سوئيچ قرار دارد که سورس آن به زمين وصل
شده ، گيت آن ورودي و درين آن خروجي است. بين خروجي ومنبع تغذيه نيز يک
المان بار (بالابر )قرار داده شده ،بار مي تواند يک مقاومت ساده يا يک
ترانزيستور NMOS ديگر باشد. باوجود روابط پيچيده رياضي ،توصيف کيفي عملکرد
منطقي گيت NOT براي هر خانواده ساده است. اين فصل به توصيف گيت هاي NMOS
چند ورودي همانند NAND ها ، NORها و AOE وگيت هاي مخصوص ديگر مي پردازد. هر
کدام از اين گيت هاي پيچيده ،مشابه با ساير معکوس کننده هاي NMOS يک المان
بار بين خروجي گيت ومنبع تغذيه قرار مي گيرد. در گيت ها ترانزيستور سوئيچ
No باترکيبهاي مختلف ترانزيستوري جايگزين مي شود. ترکيبهاي سري عملکردNAND
وترکيب هاي موازي عملکردNOR را پياده سازي مي کنند وبا استفاده از اين
ترکيبها مي توان توابعAOI را پياده سازي کرد.گيت هر کدام از اين
ترانزيستورها به عنوان ورودي استفاده مي شود.
فصل19: معکوس کنندهCMOS ياترانزيستورهاي MOS مکمل يک خانواده منطقي است که
از ترانزيستورهاي MOS کانال PوN به صورت زوج هاي مکمل يا تطبيق شده ،
استفاده مي کند. در اين خانواده ازيک ترانزيستور کانالN بعنوان عنصر پائين
تر استفاده مي شود. در حال حاضر تکنولوژي غالب در مدار هاي مجتمع ديجيتال ،CMOS
است.چون در کنار ظرفيت بسته بندي بالا در مقايسه با ديگر خانواده هاي منطقي،
کمترين تلفات توان را دارد. تلفات توان کم در مدارهاي CMOS، امکان ساخت
ساعت مچي ،ماشين حساب هاي دستي را فراهم مي کند و هينطور کامپيوتر هاي Note
Book با استفاده از اين تکنولوژي ساخته مي شوند. تقريباً تمام ميکرو
پروسسورهاي پيشرفته با استفاده از تکنولوژي CMOS ساخته شده اند که از آن
جمله مي توان به 80286 ، 80386 ، 80486 ، وPentium شرکت Intel و 68010 ،
68020 ، 68030 و 68040 شرکت موتورولا اشاره کرد. نسخه اي قديمي 8086 و 8088
نيز با استفاده از تکنولوژي CMOS ساخته شده اند. اين فصل خانواده منطقي
CMOSرادر غالب يک معکوس کننده معرفي کرده است. علاوه بر توصيف کمي عملکرد
معکوس کننده CMOS وضعيت عملکرد هر ترانزيستور در امتداد منحني مشخصه انتقال
ولتاژ انجام خواهد گرفت. سپس تلفات توان ، پاسخ حالت گذرا وتحليل خروجي دهي
شرح داده خواهد شد.به منظور تأييد نتايج تحليل هاي محاسباتي ، شبيح سازي
معکوس کننده CMOS نيز ارائه شده است. اين فصل با بررسي حالتهاي عملکرد
پارازيتي در معکوس کننده CMOS که اصطلاحاً قفل شدگي ناميده مي شود ومدارهاي
محافظ ورودي IC هاي CMOS ، خاتمه مي يابد.
فصل20:گيت هاي ترکيبي NMOS:اين فصل ساختار گيت هاي چند ورودي CMOS
همانندNAND ها و NOR وگيت هاي پيچيده تر AOI را معرفي مي کند. همانطور که
خواهيد ديد، AND کردن ورودي ها بوسيله ترکيبهاي سري کانال هاي درين – سورس
ترانزيستورهاي کانال N وترکيبات موازي کانل هاي سورس – درين ترانزيستورهاي
کانال P صورت مي گيرد. OR کردن سيگنالها در خانواده CMOS با استفاده از
ترکيبات موازي کانالهاي درين – سورس ترانزيستورهاي کانال N در کنار ترکيبات
سري کانالها ي سورس – درين ترانزيستورهاي مکمل کانال P انجام مي پذيرد. گيت
هاي خاص CMOS همانند گيت هاي سه حالته وگيت هاي باخروجي امپدانس بالا ، گيت
هاي انتقال دوطرفه ( سوئيچ ها) وتحريک کننده ها در فصول 21 و22 و23 معرفي
خواهند شد.
فصل21: گيت هاي سه حالته CMOS :تمام گيت منطقي CMOS ارائه شده در فصل قبل
دوشاخصه مهم دارند:
1- هنگامي که تمامي ورودي ها ثابت نگه داشته شوند،VOHتوسط يک مسير بالابر
تا تغذيه(VDD) و VOL توسط يک مسير پائين بر تا زمين فراهم شود.
2- مسير بالابر وپائين بر در خروجي هرگز به صورت همزمان فعال نيستند. اگر
هيچ کدام از مسير هاي بالابر و پائين بر بر قرار نباشد، خروجي در حالت
امپدانس بالا قرار مي گيرد واگر هر دو مسير بالابر وپائين بر بر قرار
باشند،برخورد نامطلوبVDD وزمين را خواهيم داشت . دو حالت بالا در کاربردهاي
منطق تر کيبي نامطلوب هستند. اما در عمل از خروجي هاي امپدانس در گيتهاي با
خروجي سه حالته استفاده مي شوند. در اين فصل دو نوع از گيت هاي سه حالته
CMOS به شرح زير بررسي خواهد شد:
1- معکوس کننده هاي سه حالته و گيت هاي منطقي سه حالته با چند ورودي
2- گيت هاي انتقال دو طرفهCMOS
يک کاربرد عمومي معکوس کننده هاي سه حالته ، فعال کردن گذر گاهها در مدار
هاي مجتمع است . همچنين مي توان فليپ فلاپهاي نوع D را با استفاده از معکوس
کننده هاي سه حالته يا گيت هاي انتقال دو طرفه ساخت. همينطور مي توان توابع
منطقي ترکيبي را با استفاده از گيت هاي انتقال دو طرفه پياده سازي کرد.
فصل22:گيت هاي اشميت تريگر CMOS:در اين فصل نوعي مدار ديجيتال CMOS معرفي
خواهد شد که در آن تغيير وضعيت خروجي از بالا به پائين واز پائين به بالا
در ولتاژهاي ورودي متفاوتي انجام مي شود. اين پديده با نام هيسترزيس در
خروجي مدارهاي اشميت تريگر CMOS به سادگي با فيدبک مثبت يک سورس- فالوئر
پياده سازي مي شود؛ همانطور که خواهيم ديد، اينگونه مدارها براي افزايش
سرعت انتقال در سيگنالهاي کند و تميز کردن سيگنالهاي نويزي ، کاربرد دارند.
فصل 23:تحريک کننده هاي CMOS :به قسمت 8-23 پاسخ ديناميکي يک معکوس کننده
CMOS با بار خازني شرح داده شد ومعادلات مر بوط به تأخير هاي انتشار بالا
به پائين و پائين به بالا وزمانهاي صعود و افت بدست آمدند. تمام چهار مشخصه
حالت گذرا به صورت مستقيم با مقدار خازن بار وبه صورت معکوس با پارامتر
هدايت انتقالي ترانزيستورها متناسب هستند. در اين فصل چگونگي تحريک بار هاي
خازني با معکوس کننده هاي چند طبقه توضيح داده مي شود. نشان داده مي شود که
زمان لازم براي شارژ وتخليه بار خازني ، با استفاده از معکوس کننده هاي چند
طبقه ،در مقايسه با يک معکوس کننده کاهش مي يابد. براي تحريک بارهاي خازني
بالاي چند پيکو فاراد، چنين تحريک کننده هاي چند طبقه اي لازم است؛همچنين
آرايش مربوط به يک تحريک کننده بخصوص که پس از غير فعال شدن، خروجي امپدانس
بالا مي شود نيزشرح داده مي شود.اين تحريک کننده سه حالته معمولاً براي
تحريک خازنهاي نسبتاً بزرگ متصل به پايه هاي خروجي يک مدار مجتمع استفاده
مي شود؛ خوبي استفاده از اين نوع تحريک کننده ها کاهش مصرف توان به هنگام
غير فعال بودن پايه هاي خروجي است.
فصل 24 :خانواده مدارهايCMOS پويا:در نواحي به خصوصي از سرعتهاي بالا ورودي
گيري بالا تلفات توان بسيار پائين وظرفيت بسته بندي بسيار زياد بهتر است
مدارهاي CMOS رابا برخي مدارهاي ديگر جايگزين کنيم . در اطن فصل ما سه نوع
مدار را توضيح مي دهيم؛اين مدارها همان گيتهاي NMOSياCMOS،يا اصلاحات زياد
هستندکه بهبود هايي را در نواحي بخصوص فراهم آوردهاند. خانوادهاي ديجيتال
منطقي که در اين فصل توضيح داده مي شود عبارتند از:منطق شبه NMOS ،منطق
پويا ومنطق دامينوCMOS.
فصل 25:مقايسه خانواده هاي منطقي و ارتباط بين آنها:اين فصل ضمن انجام يک
مقايسه بين خانوادهاي مهم منطقي مدارهاي واسط لازم براي اتصال منطق هاي
مختلف در يک سيستم را بررسي مي کند. خانواده هاي منطقي مورد مطالعه در
ادامه اين فصل عبارتند از:STTL،ECL CMOSوخانواده هاي گاليم آرسنايد(GaAs) .
پارامترهاي اين مقايسه عبارتند از:سرعت،تلفات توان،حاشيه هاي نويز وچگالي
بسته بندي.مدارهاي واسط به منظور تبديل سطوح جريان و ولتاژ خروجي از يک
خانواده منطقي به سطوح جريان و ولتاژ سازگار با ورودي گيت متصل به آن ضروري
هستند.توضيحات مربوط به مدارهاي واسط در ادامه ارائه خواهد شد.
فصل 26: خانواده مدارهاي ديجيتالBICMOS يک خانواده تکنولژي / منطقي است که
در آن يک مدار مجتمع منفرد با ترکيب ترانزيستورهاي دو قطبي و CMOS ساخته مي
شود. به صورت تجاري اين تکنولوژي در سال 1985 ارائه شد ونسبت به تکنولوژي
هاي مستقل دو قطبي وCMOS سرعت بالاتر سرعت و تلفات توان کمتر وظرفيت بسته
بندي بيشتري ارائه کرد. دقت داشته باشيد که CMOS نسبت به دو قطبي مزايايي
همچون حاشيه نويز بالاتر با مصرف توان کمتر و ظرفيت بسته بندي بيشتري ارائه
کرد. دقت داشته باشيد که CMOS نسبت به دو قطبي مزايايي همچون حاشيه نويز
بالاتر با مصرف توان کمتر وظرفيت بسته بندي بالاتر را دارد.در حالي مزيت
دوقطبي نسبت به CMOS سريعتر بودن سوئيچينگ وتوانايي تحريک جريان زياد است .
حال تر کيب اين دو تکنولوژي (BICMOS) مزاياي زير را دارد:
* توان تلفاتي کمتر از دوقطبي
* بهبود سرعت در مقايسه با CMOS
* قابليت تحريک جريان بهتر نسبت بهCMOS
BICMOS مزاياي فوق را عرضه مي کند ولي معايبي هم دارد:
* قيمت بالاتر
* زمان ساخت زياد بدليل استفاده از حدود 30 مرحله ماسک گذاري (در مقايسه با
10 تا 20 مرحله ماسک گذاري در تکنولوژي هاي دو قطبي و CMOS)
فصل 27: حافظه هاي نيمه هادي فقط خواندني: براي ساختن حافظه هاي نيمه هادي
اعم از حافظه هاي فقط خواندني (ROM) حافظه هاي با دسترسي تصادفي(RAM) مي
توان از مدارهاي ديودي يا مدارهاي BJT يا مدارهاي MOS استفاده کرد.در هر
کجاي يک حافظه با دسترسي تصادفي مي توان نوشت يا از آن خواند،اين نوع حافظه
ها در فصل بعدي بررسي مي شوند. اين فصل فقط به بررسي حافظه هاي فقط خواندني
مي پردازد.IC هاي حافظه فقط خواندني مدارهايي هستند که الگو هاي اطلاعاتي
از پيش تعريف شده رادر خود نگهداري مي کنند.اين اطلاعات به هنگام ساخت در
داخل تراشه قرار مي گيرند وديگر قابل تغيير نيست .بنابراين چنين حافظه هايي
رافقط مي توان خواند ونمي توان در آنها چيزي نوشت. مقادير از پيش تعيين شده
با فرمت باينري وبوسيله قرار دادن يا حذف يک ديود يا ترانزيستور در تراشه
قرار داده مي شود. حافظه هاي نيمه هادي ROM ، کاربردهاي فراواني دارند. در
داخل تراشه مي توان از ROM ها براي ذخيره کردن برنامه هايي مثل برنامه BOOT
ويا برنامه هاي BIOS استفاده کرد. حافظه هاي ROM همچنين مي توانند براي
ذخيره سازي برنامه هاي عملياتي در کاربردهايي از قبيل VCR ها ماشينهاي
ظرفشويي کوره هاي ماکرو ويو و بسياري از وسايل صوتي تصويري مورد استفاده
قرار گيرند. يک ICحافظه ROM مي تواند براي ذخيره کردن جدول اطلاعات بسيار
مفيد باشد. همچنين براي ساختن ديکوردها بايد از تعداد زيادي گيت استفاده
کنيم. ROMها مي توانند جايگزين مناسبي براي ديکوردها باشند. به اين ترتيب
تعداد ترانزيستورهاي مورد نياز کاهش مي يابد. انواع خاصي از حافظه هاي ROM
را مي توان پس از ساخت برنامه ريزي کرد، انواع اين نوع حافظه ها PROM
ناميده مي شوند. همانطور که خواهيد ديد، ROMهاي قابل برنامه ريزي از سلول
هاي حافظه اي تشکيل شده اند که در هر کدام يک فيوز با ديود يا ترانزيستور
مر بوطه به آن سلول سري شده است. بطوري که تمامي سلول ها پس از ساخته شدن
وضعيت منطقي مشابهي دارند. برنامه ريزي ROM فقط يک بار وبا سوزاندن فيوز در
مکانهايي که مي خواهيم وضعيت منطقي در آنها معکوس شود، انجام مي گيرد.
باپيشرفت تکنولوژي وساخت ICهاي MOS حافظه هايي ساخته شدندکه نتنها پس از
ساخت قابل برنامه ريزي بودندبلکه مي توانستند پاک شده ودوباره برنامه نويسي
شوند اين نوع حافظه ها EPROM نام دارند. گروهي از EPROMها سپس اين قابليت
رايافتندکه به صورت الکتريکي يافت شوند اين گروهEEPROMياE PROM نام گرفتند.
در اواخر سال 1980نمونه جديدي از E PROM ساخته شد که سرعت برنامه ريزي
وزمان دسترسي بسيار بهتري داشتند وبه علاوه کل حافظه به صورت همزمان در يک
لحظه پاک مي شود. اين گروه از حافظه ها نيز E PROM Flash نام گرفت . فصل
جاري حافظه هاي ROM را بررسي کرده وانواع روشهاي ساخت آن را بررسي مي کند.
ازجمله:
• استفاده از مدارهاي مقاومتي – ديودي
• استفاده از مدارهاي ترانزيستوريBJT – مقاومتي
• استفاده از مدارهاي تکنولوژي NMOS
• استفاده از مدارهاي تکنولوژي CMOS
هر کدام از اين روشها در اين قسمت به صورت جداگانه بررسي مي شوند. تکنولژي
CMOS نسبت به ساير موارد اهميت بيشتري دارد، چون امروزه روش اصلي ساخت
حافظه هاي ROM به شمار مي رود.
فصل 28 استاتيک RAM :1- حافظه هاي فقط خواندني (ROM) که در آن اطلاعات ده
هنگام ساخت ذخيره مي شود.
2-حافظه هاي خواندني – نوشتني (RWM)
در فصل قبلي طراحي حافظه هاي ROM در تکنولوژي هاي ديود – BJT و MOSتوضيح
داده شد.در اين فصل حافظه خواندني – نوشتني مورد مطالعه قرار مي گيرد.
حافظه هاي خواندني – نوشتني خود به دو گروه زير تقسيم مي شوند:
1- حافظه هاي ترتيبي: که در آنها اطلاعات به همان ترتيب که ذخيره مي شوند
خوانده مي شوند(از جمله حافظه هاي ترتيبي مي توان به نوارهاي مغناطيسي
اشاره کرد).
2- حافظه هاي با دسترسي تصادفي RAM که در آن اطلاعات مي تواند با ترتيبي
مستقل از نوشتن، خوانده شوند.(مي توان در اين نوع حافظه اطلاعات را در هر
جائي از حافظه نوشت واز هر جاي آن خواند).
خواندن ونوشتن در حافظه با دسترسي تصادفي مي تواند بسيار سريعتر از حافظه
هاي ترتيبي انجام گيرد. به همين دليل اين نوع حافظه اغلب به عنوان حافظه
اصلي در کامپيوتر ها مورد استفاده قرار مي گيرد. حافظه هاي ترتيبي معمولاً
براي ذخيره سازي حجم بالايي از اطلاعات بکار مي رود. همانند حافظه هايي که
در عمليات ذخيره سازي پشتيباني مورد نياز است.RAM هاي نيمه هادي بوسيله
ترانزيستورها ساخته مي شوند ومي توان آنها را به دو گروه تقسيم کرد:
1- استاتيک RAM (SRAM) که تا زماني که تغذيه بر قرار است قادر هستند به
صورت پيوسته اطلاعات را نگه دارند.
2- ديناميک (DRAM) RAM که مي توانند چگالي بسته بندي بالايي داشته
باشند.اما براي نگهداري اطلاعات ذخيره شده بايد در پريودهايي در حد چند
ميلي ثانيه دوباره نويسي شوند.
در اين بخش چگونگي عملکرد وطراحي RAM هاي نيمه هادي توضيح داده مي شود به
دليل تنوع مدارهاي دوباره نويسي استفاده شده در DRAMها بررسي اين نوع حافظه
براي ساده تر شدن مطالب حذف شده است. در اين فصل SRAM هاي ساخته شده با
ترانزيستور هاي MOSوBJT که قابليت جاي دادن آرايه هاي بزرگ اطلاعات را در
کامپيوتر هادارند مورد بررسي قرار مي گيرد. اين فصل با تشريح عملکرد حافظه
هاي SRAM در تکنولوژي MOS آغاز مي شود وبا مقدمه اي بر برخي مدارهاي اضافي
لازم براي نوشتن وخواندن هر بيت ادامه مي يابد. حافظه هاي SRAM که
ترانزيستورهاي BJT سريعتر را به خدمت گرفته اند از نظر طراحي مشابه هستند
پس از مطالعه SRAMدر تکنولوژي MOSارائه مي شوند.
آشنایی خانواده مدارهاي مجتمع ديجيتال
مدارهاي ديجيتال بلااستثناء با آي سي ها ساخته مي شوند . گيت هاي آي سي
ديجيتال نه تنها بر اساس عمل منطقي شان بلكه با توجه به خانواده اي از
مدارهاي منطقي كه به آنها تعلق دارند نيز دسته بندي مي شوند .
هر خانواده منطقي داراي مدار الكترونيكي پايه مختص به خود بوده و ساير
توابع و مدارات پيچيده ديجيتال با استفاده از آنها ساخته مي شوند. مدار
پايه در هر خانواده ، گيت NAND يا NOR است . قطعات الكترونيك به كار رفته
در ساختمان مدارات پايه معمولأ جهت نام گذاري خانواده منطقي بكار مي روند .
انواع متفاوتي از خانواده هاي آيسي هاي ديجيتال در بازار موجودند كه
مشهورترين آنها در زير ليست شده اند:
Trar sistor-transistor logic : TTL
ECL : Emitter-coupled logic
MOS : Metal-oxide semiconductor
CMOS : Complementary metal-oxide semiconductor
TTL كه امروزه متداول ترين خانواده مي باشد بطور گسترده اي در توليد انواع توابع ديجيتال بكار گرفته شده است .
ECL در سيستم هاييكه نياز به سرعت بالا دارند بكار مي روند.
MOS و IIL در مدارهايي كه مستلزم چگالي قطعه بالايي هستند و CMOS در مواقعي كه توان مصرفي سيستم پايين باشد مورد استفاده مي شود .
چون ساخت ترانزيستور در خانواده MOS و IIL داراي چگالي بالايي است لذا
اين دو خانواده اغلب در توابع LSI بكار مي روند . سه خانواده ديگر ،TTL
،ECL ، CMOSداراي قطعات LSI بوده و همچنين تعداد زيادي از قطعات MSIو SSI
نيز از آنها استفاده مي شوند. قطعات SSI عبارتند از تعداد قليلي گيت ها يا
مدارات فليپ فلاپ در يك بسته آي سي .
محدوديت در تعداد مدارهاي قطعات SSI در حقيقت تعداد پايه هاي بسته بندي
است . مثلأ يك بسته چهارده پايه تنها مي تواند چهار گيت دو ورودي را در خود
جاي دهد زيرا هر گيت نياز به سه پايه دارد كه دو تاي آنها متعلق به ورودي و
سومي متعلق به خروجي است . جمع اين پايه ها براي چهار گيت دوازده خواهد
بود . و دو پايه باقي مانده ، مورد نياز تغذيه مدار مي باشند .
آي سي هاي TTL معمولأ با سري شماره هاي 5400 و 7400 شناخته مي شوند .
نوع اول محدوده گرمايي گسترده تري در عمل دارند و براي صنايع نظامي مناسبند
، و گروه دوم داراي محدوده گرمايي كمتري بوده ودر صنعت بكار مي روند . سري
7400 بدان معني است كه بسته بندي ها با اعداد 7400 ،4701 و 7402 شماره
گذاري مي شوند . برخي از سازندگان ، TTL ها را با شماره هاي متفاوت ديگري
مانند سري 9000 و 8000 در دسترس قرار مي دهند .
