BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan - Johdanto integroituihin digitaalipiireihin



Samankaltaiset tiedostot
BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan: CMOS-tekniikka ja siihen perustuvat logiikkapiiriperheet

Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

amiedu DIGITAALITEKNIIKAN PERUSPORTIT 2 Sivu 1 (7)

Ongelma(t): Mihin perustuu tietokoneiden suorituskyky ja sen jatkuva kasvu? Mitkä tekijät rajoittavat suorituskyvyn parantamista ja mitkä niistä ovat

Ongelma(t): Mihin perustuu tietokoneiden suorituskyky ja sen jatkuva kasvu? Mitkä tekijät rajoittavat suorituskyvyn parantamista ja mitkä niistä ovat

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op. FT Ari Viinikainen

Ajattelemme tietokonetta yleensä läppärinä tai pöytäkoneena

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

A/D-muuntimia. Flash ADC

sylinteri- ja rasiamalliset magneettikytkimet

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T320003

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen

Infokortti. Kapasitiiviset anturit

Sähköpajan elektroniikkaa

MUISTIPIIRIT H. Honkanen

Analogiapiirit III. Tentti

Transistoriteknologian kehitys

EMC. Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

EMC Mittajohtimien maadoitus

Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 3 Sivu 1 (19) Kytkentäfunktiot ja perusporttipiirit

PUOLIJOHTEET tyhjennysalue

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

A / D - MUUNTIMET. 2 Bittimäärä 1. tai. A / D muunnin, A/D converter, ADC, ( Analog to Digital Converter )

Digitaalitekniikan matematiikka Harjoitustehtäviä

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

Kytkentäkentät, luento 2 - Kolmiportaiset kentät

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

Ohjelmistoradio. Mikä se on:

Näytteen liikkeen kontrollointi

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Logiikan rakenteen lisäksi kaikilla ohjelmoitavilla logiikoilla on myös muita yhteisiä piirteitä.

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Energian hallinta Energiamittari Tyyppi EM110

BL40A17x0 Digitaalielektroniikka A/B: Ohjelmoitavat logiikkapiirit

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Taitaja2005/Elektroniikka. 1) Resistanssien sarjakytkentä kuormittaa a) enemmän b) vähemmän c) yhtä paljon sähkölähdettä kuin niiden rinnankytkentä

MultiPlus-II 48/3000/ V (aiempi tuotenimi: MultiGrid-II)

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Radioamatöörikurssi 2017

ELEC-C3240 Elektroniikka 2 Digitaalielektroniikka Karnaugh n kartat ja esimerkkejä digitaalipiireistä

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

CLPD ja FPGA piirien arkkitehtuuri ja ominaisuudet

Kontrollerin tehonsäätö

Moduloivat toimilaitteet AME 10, AME 20, AME 30 AME 13, AME 23, AME 33 standardin EN mukaisella turvatoiminnolla (jousi alas)

TeleWell GPRS-modeemin ohjekirja

Signaalien datamuunnokset

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

ELEC-C3240 Elektroniikka 2

DR-3528FX30-12W COOL WHITE 3528(1210) 30 LED/m 8mm 2.4W K DC 12V IP20 3M Teippi

Digitaalilaitteen signaalit

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Sähköautoprojekti Pienoissähköauto Elektroniikan kokoonpano Moottoriohjain.

EMC Johdanto EMC. Miksi? Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Successive approximation AD-muunnin

KÄYTTÖOHJE. M2M Point - to - Point

BL40A1711 Johdanto digitaaleketroniikkaan: Sekvenssilogiikka, pitopiirit ja kiikut

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

PM10OUT2A-kortti. Ohje

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

FYSE301 Elektroniikka I osa A Loppukoe (Vastaa kaikkiin viiteen tehtävään)

DEE Sähkötekniikan perusteet

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

d) Jos edellä oleva pari vie 10 V:n signaalia 12 bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä?

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

C-Lynx pinnanvalvontareleet HNM ja HNE

Pitkien etäisyyksien induktiivinen suorakulmainen lähestymiskytkin. Lähtö NO + NC 20 mm suojattu

Transistoreiden merkinnät

Diodit. I = Is * (e U/n*Ut - 1) Ihanteellinen diodi

PR SARJA ASENNUS JA KYTKENTÄ

Tieteen popularisointi Kvanttipiirit

Sähköiset toimilaitteet AME 10, AME 20, AME 30 AME 13, AME 23, AME 33 standardin EN mukaisella turvatoiminnolla (jousi alas)

Tietokoneen muisti nyt ja tulevaisuudessa. Ryhmä: Mikko Haavisto Ilari Pihlajisto Marko Vesala Joona Hasu

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

LP4PF /LP4PT Kulkusuojavaloverhot Peiliheijastus 0 6m Mykistys tai ilman mykistystä

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Sähköpajan elektroniikkaa

PR SARJA ASENNUS JA KYTKENTÄ

Taitaja semifinaali 2010, Iisalmi Jääkaapin ovihälytin

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

Verkkodatalehti. FX3-XTIO84002 Flexi Soft / Safe EFI-pro System TURVAOHJAIMET / TURVAJÄRJESTELMÄT

Nopea tiedonkeruulaitteisto radiokanavamittauksiin

811312A Tietorakenteet ja algoritmit I Johdanto

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

Elektroniikan laboratorio Lisätehtävät Mallivastauksia

DATAFLEX. Vääntömomentin mittausakselit DATAFLEX. Jatkuvan päivityksen alaiset tiedot löytyvät online-tuoteluettelostamme, web-sivustosta

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Transkriptio:

BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan - Johdanto integroituihin digitaalipiireihin

Digitaalielektroniikka perustuu ohjattaviin kytkimiin Ohjattava kytkin, digitaalielektroniikan peruskomponentti Keskeisiä parametrejä: koko, tehonkulutus, hinta, luotettavuus ja kytkentänopeus Releet: 1930-luku Tyhjiöputket: 1940-luku Transistorit: 1950-luku Integroidut piirit: 1960-luku control input OFF input output ON Kuvat. Rele (ylä, vasen), tyhjiöputkia (ylä, oikea), erillisiä transistoreja (ala, vasen), IC-piiri (ala, oikea) [Lähde Wikipedia]

Debuggaus Vuonna 1945 yöperhonen jumittui yhteen Mark IItietokoneen releistä Harvardissa Tietokone saatiin toimimaan vasta kun yöperhonen poistettiin Tästä syntyi tietokonetermi debuggaus Kuvat. Kuva ensimmäisestä ötökästä, joka debugattiin v. 1947 [Lähde, Wikipedia]

Mikä on integroitu piiri? Integroitu piiri on minityarisoity elektroniikkakytkentä, sisältää: Puolijohteita: (transistorit, diodit, triacit, etc.) Passiivisia komponentteja Vamistettu puolijohteen pinnalle, eriste- ja johdekerrosten avulla Historiaa: Jack Kilby (Texas Instruments) toteutti ensimmäisen IC-piirin vuonna 1958 Sisälsi transistorin ja passiivisia komponentteja germanium-alustalla Kuva. Integroitu piiri, Intel 8742, 8-bittinen mikrokontrolleri (2048 B EPROM, 128 B ram, f = 12 MHz) [Lähde Wikipedia]

Integroitujen digitaalipiirien luokittelu (1) Luokittelu voidaan toteuttaa monilla perusteilla, esimerkkejä: Digitaalipiirin sisältämien loogisten porttien lukumäärä Digitaalipiirin piitoteutuksessa käytetyn teknologian perusteella Logiikkapiiriperheen perusteella Piirin toteuttamien loogisten operaatioiden perusteella Loogisten porttien lukumäärään perustuva luokittelu Kategoria Porttien lkm Esimerkkipiiri SSI (small-scale integration) < 20 yksittäinen porttipiiri MSI (medium-scale integration) < 200 multiplekseri, laskuri LSI (large-scale integration) < 200 000 pieni mikrokontrolleri VLSI (very large-scale integration) > 200 000 muistit, mikroprosessorit, FPGA

Integroitujen digitaalipiirien luokittelu (2) Digitaalipiirit voidaan luokitella loogisia operaatioita toteuttavien elementtien toteutustekniikan perusteella (kytkimet) RTL (resistor-transistor logic,ei käytössä enää) DTL (diode-transistor logic, ei käytössä enää) TTL (bipolaaritransistoritekniikka, NPN- ja PNP-transistorit) Schottky-TTL (schottky-diodien avulla parannettu TTL) CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) BiCMOS (Bipolaari- ja CMOS-tekniikoiden yhdistelmä) ECL (emitter coupled logic) Jokaisessa perheessä perusportti/portit, joiden pohjalta kompleksisemmat piirit on toteutettu, usein (NAND/NOR) Jatkossa kenties hyödynnetään: Optisia kytkinelementtejä Nanoputkista tehtyjä kytkinelementtejä Yksittäisiä atomeja ja molekyylejä (kvanttitietokoneet)

Gordon Moore ja transistoritiheys piillä Minimihintaisten puolijohdekomponenttien transistoritiheys kaksinkertaistuu 24 kk:ssa *Gordon. Moore, 1965 Tiheyden kasvu == Laskentatehon kasvu Toimii teknologian ja tieteen kehitystä eteenpäin vievänä voimana Kuva: Wikipedia Moore, Gordon E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits, Electronics Magazine.

Mitä Mooren laki merkitsee 20 vuoden aikajänteellä? Nokia E90 v. 2007, kuva Wikipedia Cray II supertietokone, v. 1986 (Art s Metiers, Pariisi), kuva Wikipedia Vuonna 2007 modernin matkapuhelimen omistajalla on taskussaan 1980-luvun puolivälin supertietokoneen laskentateho. Matkapuhelimen tehonkulutus on arviolta 1/100 000 supertietokoneen tehonkulutuksesta, koko 1/1000 ja hinta 1/10 000 supertietokoneen hinnasta. Muistikapasiteetit ovat molemmissa laitteissa suurin piirtein toisiaan vastaavat

Muita esimerkkejä digitaalielektroniikan kytkinten kehityksen ymmärtämiseen Integroiduissa piireissä voi olla nykyisin jopa miljardi transistoria, pinta-alalla 1 cm 2 Yksittäinen transistori piirillä on luokkaa ~100 nm pitkä 1940 luvulla käytetty tyhjiöputken pituus on ~ 100 mm Jos kuvataan transistorin pituutta luottokortin paksuudella (0.5 mm) vastaa samassa skaalassa tyhjiöputken pituus 500 m pituista pilvenpiirtäjää Jos kuvataan transistoreja 5 snt kolikoilla, ja tyypillisen ison makuuhuoneen tilavuus on 40 m 3 (15 m 2 * 2.66 m) Miljardi 5 snt kolikkoa vaatii 400 m 3 tilavuuden, eli 10 makuuhuonetta

Integroitujen digitaalipiirien luokittelu Jännite Loogiset jännitetasot Lähtövirta Staattinen virta Etenemisviive Tulo Lähtö I OL I IL I CC t PD,MAX Perhe (V) Tekniikka V IL /V IH V OL /V OH (ma) (ma) (ma) (ns) AUC 1.8 CMOS CMOS CMOS 8-8 0.01 2 AVC 2.5 CMOS CMOS CMOS 8-8 0.04 2 ALVT 3.3 BiCMOS CMOS LVTTL 24-8 4.5 3.5 LVT 3.3 BiCMOS LVTTL LVTTL 24-8 4.5 3.5 ALVC 3.3 CMOS LVTTL LVTTL 64-32 0.19 3.5 LVC 3.3 CMOS LVTTL LVTTL 24-24 0.04 3 ALB 3.3 BiCMOS LVTTL LVTTL 25-25 0.8 2 AC 3.3 CMOS CMOS CMOS 12 12 0.02 8.5 AHC 3.3 CMOS CMOS CMOS 4 4 0.02 11.9 LV 3.3 CMOS LVTTL LVTTL 8-8 0.02 14 FCT 5 BiCMOS TTL TTL 64-15 0.08 7 ABT 5 BiCMOS TTL TTL 64-32 0.25 3.5 AHC 5 CMOS CMOS CMOS 8-8 0.04 7.5 AHCT 5 CMOS TTL CMOS 8-8 0.04 7.7 AC 5 CMOS TTL TTL 24-24 0.04 6.5 ACT 5 CMOS TTL TTL 24-24 0.04 8 74F 5 Bipolaari TTL TTL 64-15 120 6 BCT 5 BiCMOS TTL TTL 64-15 90 6.6 HC 5 CMOS CMOS CMOS 6-6 0.08 21 HCT 5 CMOS TTL CMOS 6-6 0.08 30 AS 5 Bipolaari TTL TTL 64-15 143 7.5 ALS 5 Bipolaari TTL TTL 24-15 58 10 LS 5 Bipolaari TTL TTL 24-15 95 12 S 5 Bipolaari TTL TTL 64-15 180 9 TTL 5 Bipolaari TTL TTL 16-0.4 22 22

Integroitujen logiikkapiirien ominaisuudet Loogisten funktioiden toteutus elektroniikalla: materiaalien epäideaalisuudet ja fysiikan lait tuottavat rajoituksia toimintaan Riippuvaisia perusportin myös piitoteutuksessa käytetystä tekniikasta (kytkimen tyyppi / viivanleveys, etc.) Tyypillisimpiä parametreja: Käyttöjännite Jännitteet loogisille tiloille Fan-out Tehonkulutus (power dissipation) Etenemisviive (propagation delay) Kohinamarginaali/häiriömarginaali (noise margin) Nousunopeus (rise time) Laskunopeus (fall time) Suurin piirille sallittu tehonkulutus

Loogisten tilojen esittäminen jännitteellä Miksi jännitteellä esitetään binäärisiä tiloja? Helposti generoitavissa Liittyy runsaasti olemassa olevaa insinööritietoa Pieni tai olematon tehonkulutus stationaaritilassa Ongelmia, jotka liittyvät jännitteen hyödyntämiseen Herkkä ympäristön häiriöille Piiri tarvitsee DC-syöttöä Kytkennän RC-vakiot asettavat rajoja laitteiston suorituskyvylle

Loogisten tilojen esittäminen jännitteellä (2) Digitaalipiireille on määritelty (positiivinen, logiikka): Käyttöjännite (V cc ) Alin 1-tilan lähtöjännite (V oh ) Ylin 0-tilan lähtöjännite (V ol ) V CC Alin 1-tilan tulojännite (V ih ) Ylin 0-tilan tulojännite (V il ) V OH Tilan 1 tila 1 häiriömarginaali tila 1 V CC Nykyiset ratkaisut boolen algebran toteuttamiseen perustuvat bittin tilan kuvaamiseen kahdella jännitetasolla! V OL Määrittämätön tila Määrittämätön tila tila 0 tila 0 Tilan 0 häiriömarginaali 0 0 V IH V IL

Etenemisviive Etenemisviive: Keskimääräinen viive, joka signaalilta kestää edetä portin tulosta lähtöön silloin kun portin lähdön tila muuttuu Kokonaisviive on etenemisviiveiden summa, saadaan summaamalla peräkkäisten porttien ja johdotuksen aiheuttamat etenemisviiveet t p t phl 2 t plh Esimerkki: (SN7400, TTL), kuormitus: R L 400, CL 15pF Normaali t PLH 11ns t PHL 7 ns Worst-case t PLH 22 ns t PHL 15ns

Tehonkulutus Tarkoitetaan logiikkaportin sisäistä tehonkulutusta, ei tehoa jonka portti syöttää ulos tai joka porttiin syötetään Jaettavissa: Staattinen tehonkulutus Dynaaminen tehonkulutus Portin keskimääräinen staattinen virrankulutus I CC avg I CCH I 2 CCL Riippuu voimakkaasti piirin piitoteutustekniikasta TTL: tehonkulutus pääosin staattista CMOS: tehonkulutus pääosin dynaamista (~f) Piirin suorituskyvyn mitta: tehonkulutus-nopeus-tulo Keskimääräinen tehonkulutus P D I V avg CCavg CC Tehonkulutus-nopeus-tulo SPP t p PD

Dynaaminen tehonkulutus: CMOS Kulutettu energia/portti/tilanmutos: Vdd E 0.5* CV 2 DD Piirin tehonkulutus: Missä: P 0.5* fncv 2 DD f = tilanmuutokset/s Vin: tila muuttuu L- >H->L n = tilaa muuttavien porttien lkm C = kapasitanssi V dd = käyttöjännite Vout: tila muuttuu H- >L->H C: ladataan ja puretaan

Dynaaminen tehonkulutus Mitä tarkoittaa nykyisissä prosessoreissa? Prosessorin (esim. Pentium 4, Ultra Sparc III, Itanium 2) tehonkulutus on luokkaa 80 150 W käyttöjännitteellä V dd = 1.2 V: Prosessorin virrankulutus (I = P/U) ~ 100 A Miten tämä teho poistetaan pinta-alalta: ~ 2-4 cm 2? Muita huonoja uutisia: a) käyttöjännitettä ei voida merkittävästi alentaa b) kellotaajuuksia pyritään nostamaan

Fan-out Fan-out: Maksimi standardikuormien lukumäärä, joka voidaan kytkeä logiikkaportin lähtöön vaarantamatta kytkennän toimintaa fanout I min I OH, IH I I OL IL Käytännössä oleellinen suure vain TTL-tekniikalla toteutettavissa kytkennöissä Myös muut kuormat huomioitava CMOS-tekniikassa kuorman lisääntyminen == kapasitanssin lisääntyminen -> portin toiminta hidastuu

Yhteenveto piiritekniikoiden ominaisuuksista CMOS + Suuri kohinamarginaali + Pieni staattinen tehonkulutus + Tulot eivät kuormita lähtöjä -> Fan-out suuri + Pieni transistorin koko -> suuri integrointitiheys - Tehonkulutus verrannollinen kellotaajuuteen - Virransyöttökyky joillain piiriperheillä - Tulo herkkiä ympäristön häiriöille --> suuri tuloimpedanssi TTL + Suuri virransyöttökyky + Käyttämättömiä tuloja ei tarvitse välttämättä sitoa - Tulot kuormittavat lähtöjä (fan-out) - Suurehko staattinen tehonkulutus - Pieni integrointitiheys ECL + Nopea - Suuri virrankulutus - pieni integrointitiheys BiCMOS + Voidaan toteuttaa edellä mainituilla piiritekniikoilla toteutetut logiikkapiiriperheet

Integroitujen digitaalipiirien rakenne bibolaaritransistori (BJT) Kaikki ensimmäiset logiikkapiiriperheet toteutettiin BJT-tekniikalla: RTL, DTL, TTL ja osin myös BiCMOS Transistoreissa varauksen kuljettajina toimivat sekä aukot että elektronit, tyypit: NPN, PNP Digitaalielektroniikan piireissä transistoria hyödynnetään kytkimenä (kyllästysmoodi, cut-off-moodi) Tyypillisen npn-piensignaalitransistorin ominaisuudet Toimintatila V BE (V) V CE (V) Virtojen suhde Cut-off < 0.6 Avoin piiri I B = I C = 0 Aktiivi 0.6-0.7 > 0.8 I C = h FE I B Kyllästys 0.7-0.8 0.2 I B I CS / h FE BJT-transistorien piirrossymbolit