PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 4 cz. 1


Streszczenie
Wroc


Zanim przejdziemy do omawiania mikroelektronicznych sposobów realizacji układów cyfrowych i analogowych, musimy jeszcze poznać jeden z fundamentalnych problemów mikroelektroniki: rozrzuty produkcyjne.

Rozrzuty produkcyjne

W mikroelektronice - jak w każdej innej dziedzinie techniki - we wszystkich operacjach technologicznych występują nieuchronnie zaburzenia powodujące, że wyniki operacji nigdy nie są dokładnie zgodne z zamierzonymi. Mówimy, że mamy do czynienia z rozrzutami produkcyjnymi. Procesy produkcyjne mikroelektroniki są niezwykle subtelne, toteż nawet znikomo małe zaburzenia tych procesów prowadzą do dużych rozrzutów parametrów i charakterystyk elementów układów scalonych. Nie należą do rzadkości rozrzuty na poziomie na przykład +/- 50% wartości nominalnej danego parametru - rzecz nie do pomyślenia w innych dziedzinach techniki, np. w mechanice. Sztuka projektowania układów scalonych polega między innymi na tym, by z elementów o bardzo dużych rozrzutach parametrów zbudować układ, który nie tylko będzie działał, ale którego parametry użytkowe będą utrzymane w wąskich granicach tolerancji.

Jest to możliwe, jeśli poznamy dokładniej naturę rozrzutów produkcyjnych. Można je podzielić na dwa rodzaje: rozrzuty globalne i rozrzuty lokalne. Rozrzuty globalne to takie, które jednakowo oddziałują na wszystkie elementy w układzie scalonym, zaś rozrzuty lokalne to takie, które dla każdego elementu mają inną wielkość. Innymi słowy, gdyby istniały tylko rozrzuty globalne, to w danym układzie elementy identycznie zaprojektowane miałyby zawsze identyczne parametry i charakterystyki (które jednak miałyby różne wartości w układach pochodzących z różnych płytek i różnych serii produkcyjnych). Natomiast rozrzuty lokalne powodują istnienie różnic pomiędzy elementami, które powinny być identyczne. Różnicę między rozrzutami globalnymi i lokalnymi wygodnie jest pokazać na przykładzie  fotolitografii.

zaburzenia

Zaburzenia kształtu okna zdefiniowanego przy pomocy procesu fotolitograficznego i wytrawionego w warstwie SiO2.

Podział na rozrzuty lokalne i globalne dotyczy nie tylko zaburzeń procesów fotolitografii, ale i wszystkich innych procesów produkcyjnych mikroelektroniki. Z punktu widzenia projektowania układów istotne jest to, że zaburzenia globalne są duże, ale nie powodują różnic parametrów między elementami, które powinny być identyczne, natomiast rozrzuty lokalne powodują, że elementy, które były zaprojektowane jako identyczne, mają w rzeczywistości nieco różniące się parametry.

!

Cechą charakterystyczną mikroelektroniki jest to, że chociaż rozrzuty globalne są bardzo duże, to równocześnie rozrzuty lokalne są małe. Innymi słowy, nie można liczyć na to, że wyprodukowane elementy będą miały parametry zawsze bardzo bliskie nominalnym, ale można liczyć na to, że para elementów zaprojektowanych jako identyczne i znajdujących się tuż obok siebie w tym samym układzie scalonym będzie miała prawie identyczne parametry. Tę własność powszechnie wykorzystuje się w projektowaniu układów scalonych, a zwłaszcza układów analogowych.



Teraz rozpoczyna się cykl wykładów poświęconych podstawom układów cyfrowych realizowanych jako układy scalone CMOS. Na początek omówione będą podstawowe wymagania, jakie są stawiane bramkom stosowanym w układach cyfrowych. Potem omawiane będą bramki zwane statycznymi: najprostsza bramka realizująca negację, czyli funkcję NOT, zwana potocznie inwerterem, a potem bramki realizujåce bardziej złożone funkcje kombinacyjne. Były już one wspominane wcześniej, tu i w następnym wykładzie ich właściwości będą omówione dokładniej.

Pojęcie bramki statycznej

Zdefiniujemy na początek bramkę statyczną. Takie właśnie bramki są stosowane w zdecydowanej większości układów cyfrowych CMOS do budowy bloków logiki kombinacyjnej.

! Bramka statyczna jest to bramka mająca tę własność, że jak długo włączone jest napięcie zasilania, a stany logiczne na wejściach nie ulegają zmianie, to i stany logiczne na wyjściach nie zmieniają się.

W dalszych wykładach poznamy także bramki inne, niż statyczne.

Podstawowe wymagania dla bramek w układzie cyfrowym

Poziomy logiczne

Poziomami logicznymi nazywamy wartości napięć, jakie reprezentują wartości logiczne zera i jedynki (w dalszej części wykładu wartości logiczne zera i jedynki będą oznaczane symbolami "0" i "1" w cudzysłowach, by nie myliły się ze zwykłymi liczbami). W układach CMOS powszechnie przyjmuje się, że wartość logiczna "0" jest reprezentowana przez napięcie równe zeru, a wartość logiczna "1" jest reprezentowana przez napięcie równe napięciu zasilania układu (w dalszej części wykładu napięcie zasilania będzie oznaczane symbolem UDD, a napięcie równe zeru będzie także niekiedy oznaczane symbolem USS). Jednak taka definicja nie wystarcza. Z różnych powodów logiczne "0" może być reprezentowane w układzie przez napięcie bliskie zeru, ale nieco od zera wyższe, zaś logiczna "1" może być reprezentowana przez napięcie nieco niższe od napięcia zasilania. Dlatego definiuje się zakresy wartości napięć, w których mieszczą się napięcia reprezentujące logiczne "0" i logiczną "1".

Poziomy logiczne

Definicja poziomów logicznych "0" i "1"

Regeneracja poziomów logicznych

Z definicją poziomów logicznych wiąże się zdolność bramek logicznych do regeneracji tych poziomów. Zdolność tę można określić następująco.

! Mówimy, że bramka logiczna regeneruje poziom logiczny "0", jeżeli dla dowolnej kombinacji stanów logicznych na wejściu reprezentowanych przez napięcia na granicach odpowiednich zakresów (tj. U0max dla stanów "0" i U1min dla stanów "1"), dla których na wyjściu bramki mamy stan "0", stan ten jest reprezentowany przez napięcie wewnątrz zakresu zera, tj. napięcie U spełniające warunek U < U0max. Podobnie, mówimy, że bramka logiczna regeneruje poziom logiczny "1", jeżeli dla dowolnej kombinacji stanów logicznych na wejściu reprezentowanych przez napięcia na granicach odpowiednich zakresów (tj. U0max dla stanów "0" i U1min dla stanów "1"), dla których na wyjściu bramki mamy stan "1", stan ten jest reprezentowany przez napięcie wewnątrz zakresu jedynki, tj. napięcie U spełniające warunek U > U1min.

Intuicyjnie zdolność do regeneracji można sobie wyobrazić jako zdolność do "poprawiania" napięć reprezentujących stany logiczne, tak aby napięcia te nie mogły się znaleźć poza dopuszczalnymi przedziałami.

Warto dodać, że istnieją bramki nie mające zdolności regeneracji poziomów logicznych, a nawet takie, które powodują degradację tych poziomów, tj. dają na wyjściu napięcia spoza dopuszczalnego zakresu. Jednak w każdym złożonym układzie przynajmniej część bramek musi mieć zdolność regenerowania poziomów logicznych. W dalszej części wykładu będzie mowa o tym, jak sobie radzimy, gdy trzeba zastosować bramki nie mające tej zdolności.

Wroc
Dalej

sem. 11Z