الکترونیک دیجیتال

1. Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department الکترونیک دیجیتال دکتر سعید شیری

2. کتاب درسی • Digital integrated circuits : analysis and design / J.E. Ayers, 2005 • J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, DigitalIntegrated Circuits: A Design Perspective , 2nd Edition,Prentice Hall, 2003 • MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith • الکترونیک دیجیتال، دکتر مهدی صدیقی اسلاید ها ، کتاب و سایر موارد را میتوانید از سایت زیر دانلود کنید: • ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/digital electronics کتاب را از سایت دانشکده نیزمیتوانید دریافت کنید: • Common\shiry\electronics

3. ارزیابی درس • امتحان میان ترم 25 درصد • پروژه 25 درصد • امتحان پایان ترم 30 درصد • تمرین 15 درصد • کوئیز 5 درصد

4. مباحث درس • مباحث زیر از کتاب های معرفی شده مورد مطالعه قرار خواهند گرفت: • مقدمه ای بر مدارات مجتمع دیجیتال • فرایند تولید • ادوات نیمه هادی: دیود ، ترانزیستور BJT، ترانزیستور MOSFET • خانواده های منطقی TTL, ECL, NMOS, CMOS • شبیه سازی توسط PSPICE • گیتهای CMOS • CMOS با توان پائین • منطق BiCMOS • اتصلات • مدارات ناپایدار • طراحی مدارات حافظه

5. جایگاه درس

6. تاریخچه • ترانزیستور در سال 1947 در آزمایشگاه BELL اختراع شد. • ترانزیستور دو قطبی در سال 1949 توسط شاتکی معرفی شد. • در سال 1956 اولین گیت دیجیتال با استفاده از تکنولوژی ترانزیستور دوقطبی ساخته شد. • اولین مدار مجتمع (IC) تجاری از خانواده TTL در سال 1962 ساخته شد. • TTL برای سالهای متمادی بعنوان موفق ترین تکنولوژی برای ساخت مدارات مجتمع مورد استفاده قرار گرفت. اما بدلیل توان مصرفی بالائی که هر گیت لازم داشت امکان مجتمع سازی آن محدود گشته و در دهه 80 از میدان رقابت خارج گردید. • تکنولوژی MOS در دهه 60 و مدارات مجتمع آن در دهه 70معرفی گردید ( اگرچه اصول اولیه آن قبلا در کانادا در 1925 ثبت شده بود). مشکلات مربوطه به فریند ساخت توسعه آنرا تا دو دهه به عقب انداخت. • اولین مدارات از ترانزیستورهای PMOS ساخته و در وسایلی همچون ماشین های حساب استفاده شدند. • در سال 1972 اینتل مدارات ساخته شده با استفاده از ترانزیستورهای NMOS را معرفی کرد که سرعت بیشتری داشتند. • اولین حافظه 4Kbit نیز با استفاده از تکنولوژی MOS در سال 1970 ساخته شد.

7. تاریخچه • تکنولوژی های NMOS , PMOS هم به سرنوشت TTL دچار شدند یعنی بعلت توان بالا محدودیت مجتمع سازی پیدا کرده و با CMOS جایگزین شدند. • در حال حاضر تکنولوژی CMOS تکنولوژی غالب از لحاظ توان مصرفی است و فعلا جایگزینی برای آن بوجود نیامده است. • در کاربردهای خاص مثل مدارات با بازدهی بسیار بالا ( حافظه های سریع) از تکنولوژیهای دیگری مثل BiMOS استفاده میشود که خواص CMOS و دو قطبی را با هم ترکیب کرده است. • از سایر تکنولوژیهای خاص میتوان به موارد زیر اشاره کرد: • ECL family—Gallium-Arsenide, Silicon-Germanium and ,superconducting technologies

8. موقعیت مدارات MOSFET • اندازه کوچک و مصرف توان پائین مدارات MOSFET باعث شده است تا نقش اصلی را در توسعه مدارت پیچیده نظیر ریزپردازنده ها، حافظه های پرظرفیت، کامپیوترهای قابل حمل، تلفن های همراه و بسیاری تجهیزات الکترونیکی دیگر داشته باشند. • این مدارات فقط هنگام سوئیچینگ یعنی تغییر وضعیت از یک سطح منطقی به دیگری انرژی مصرف میکنند لذا توان مصرفی مدار پائین آمده و متعاقبا حرارت تولید شده کاهش می یابد لذا امکان مجتمع سازی آنها بسیار بالاست. • تقریبا تمامی ریزپردازنده های امروزی با تکنولوژی CMOS ساخته میشوند. • حافظه های گیگا بایتی DRAM نیز از سلول هائی ساخته میشوند که از یک ترانزیستور MOSFET برای ذخیره هر بیت استفاده میکنند.

9. اولین ترانزیستور

10. اولین مدار مجتمع

11. 4-BIT ALU

12. اولین ریزپردازنده ساخت اینتل 1000 transistors 1 MHz operation NMOS only replacing PMOSbased integrated circuits (higherspeed) Intel 4004 Micro-Processor (1971)

13. پردازنده پنتیوم 4 ساخت اینتل Intel Pentium (IV) microprocessor (2000)

14. قانون مور • مور که یکی از بنیانگذاران اینتل است در سال 1965 پیش بینی کرد که تعداد ترانزیستورها در هر اینچ مربع از مدارات مجتمع هر 18 ماه دو برابر خواهد شود. • بسیاری بر این عقیده هستند که این قانون برای دو دهه دیگر نیز معتبر باقی بماند. • در واقع یکی از دلایلی که این قانون سالهاست که اعتبار دارد این است که صنایع نیمه هادی آنرا بعنوان هدفی برای خود برگزیده اند.

15. روند پیشرفت حافظه ها

16. روند افزایش ترانزیستورهای پردازنده ها

17. روند افزایش کارائی پردازنده ها فرکانس کلاک پردازنده ها در هر 3 سال 2 برابر شده و این روند همچنان ادامه دارد.

18. مسیر پیشرفت مدارات مجتمع دیجیتال it will be possible to buy a 28.8-GHz processor with 3 billion transistors and 4700 pins for less than one microcent per transistor!

19. دلیل پیشرفت مدرارت مجتمع دیجیتال • یکی از دلایل پیشرفت سریع مدارات مجتمع دیجیتال را میتوان امکان خلاصه سازی (Abstraction) این مدرارت ذکر کرد. • یک پردازنده را میتوان بصورت سلسله مراتبی متشکل از بلوک هائی دانست که عمل مشخصی را انجام میدهند. • هر بلوک از سلولهائی ساخته میشود که بطور مرتب در قسمت های مختلف استفاده میشوند. از اینرو در هنگام طراحی فقط کافی است که در محل مورد نظر کپی شوند. اینکار طراحی مدارات مجتمع را بسیار ساده میکند. • عملکرد هر بلوک بطورت دقیق مدل میشود وبا قرار دادن بلوک در سلسله مراتب مورد نظر تغییری در عملکرد آن بوجود نیماید. از اینرو طراح فقط در روابط بین ورودی ها و خروجی های هر بلوک توجه میکند و نیازی به دانستن آنچه که در داخل بلوک میگذرد ندارد.

20. سطوح مختلف طراحی

21. طراحی بکمک کامپیوتر (CAD) • امروزه طراحی مدارات مجتمع بطور کامل توسط ابزارهای طراحی کامپیوتری انجام میشود. این ابزارها کارهای مختلفی را انجام میدهند: • simulation at thevarious complexity levels, • design verification, • layout generation, and • design synthesis • علاوه بر آن کتابخانه های زیادی برای اجزای پرمصرف نظیر حافظه ها، مدارات محاسباتی و گیت های مختلف بوجود آمده اند تا کار طراحی را ساده کنند.

22. استفاده از نرم افزارهای طراحی • استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری باعث میشوند تا امکان ساخت ترانزیستورهای سریعتری بوجود آیند. • اینکار باعث میشود تا کامپیوتر های سریعتر و قویتری ساخته شوند. • کامپیوترهای سرعتر امکان استفاده از نرم افزارهای بهتری را میدهند. • نرم افزارهای بهتر امکان ساخت ترانزیستورهای سریعتر را فراهم میکنند. • این فیدبک مثبت باعث میشود تا قانون مور معتبر باقی بماند!

23. مشکلات مربوط به طراحی سلسله مراتبی • علیرغم اینکه طراحی بکمک بلوک های از پیش آماده کار ساده ای به نظر میرسد اما مسائلی وجود دارند که باعث میشوند تا مدار طراحی شده عملکرد متفاوتی بآ طرح مورد نظر داشته باشند. از جمله: • Clocks Defy • Power Distribution Networks Defy • Noise

24. تعریف ورودی ها و خروجی های مدار مراحل طراحی و ساخت یک مدار مجتمع طراحی شماتیک مدار شبیه سازی مدار خیر آیا مدار مشخصات لازم را دارد آیا مدار مشخصات لازم را دارد آیا مدار مشخصات لازم را دارد طراحی Layout شبیه سازی خیر ساخت نمونه تست و ارزیابی خیر، مشکل طر احی خیر، مشکل ساخت تولید

25. کلیات طراحی • مثال: مطلوب است طراحی يک مدار ضرب کننده ٨ در ٨ بيت بوث پرسرعت کم توان در تکنولوژی 65 نانومتر • در طراحی یک مدار دیجیتال ممکن است محدودیت ها و یا ویژگی های زیر مد نظر باشند: منطق مورد نظر، زمانبندی، توان مصرفی، مساحت، و ویژگی های نویز • شما مجبور خواهید بود تا معماری مناسبی که نیازمندی های خواسته شده را برآورده نماید انتخاب نمائید. • ممکن است لازم باشد تا طراحی را طوری بهینه کنید که ویژگی های لازم را داشته باشد. • با توجه به معماری انتخاب شده مدار مورد نیاز انتخاب میشود. • مدار مورد ارزیابی قرار میگیرد. اگر مدار قادر به برآورده کردن نیازها نباشد ممکن است مدار و یا حتی معماری تغییر نماید. ابزارهای شبیه سازی کمک بزرگی به انجام ارزیابی مدارات مینمایند. • Layout مربوط به مدار تهیه و از طریق شبیه سازی مجددا ارزیابی میشود.

26. شبیه سازی • نرم افزار SPICE و نرم افزارهای هم خانواده آن سالهاست که برای شبیه سازی مدارات الکترونیکی بکار میروند. Simulation Program for Integrated CircuitsEmphasis • در این درس با اصول کلی مدلسازی مدارات الکترونیکی برای شبیه سازی آنها آشنا خواهیم شد. • این نرم افزار بر مبنای اصول فیزیکی حاکم بر ترانزیستورها و انتقال ولتاژ و جریان کار میکند. لذا برای استفاده از آن باید مدلهای فیزیکی ترانزیستور مورد استفاده قرار گیرد. • با پیچیده تر شدن مدلها زمان لازم برای شبیه سازی آنها هم افزایش می یابد. در حالت کلی شبیه سازی با این برنامه نسبت به شبیه سازی هائی که با زبانهائی مثل HDL, Verilog انجام میشود کند تر است. • مدارات مجتمع در چندین مرحله مختلف از مراحل طراحی توسط نرم افزارهای شبیه سازی مورد آزمایش قرار میگیرند. • شبیه سازی علاوه بر چک کردن لاجیک مواردی مثل تاخیر انتشار و توان مصرفی را شامل میشود.

27. Scaling • تحولی که در صنعت الکترونیک دیجیتال بوجود آمده است مرهون کوچک کردن اندازه ترانزیستورها ست. • کوچک کردن اندازه ترانزیستورها و مدارات دیجیتال باعث میشود تا توان مصرفی و سطح مورد استفاده کاهش پیدا کرده و بتوان یک عمل مشخص را با هزینه کمتری انجام داد. • با کوچک کردن اندازه ترانزیستور میتوان تعداد بیشتری از آنها را در واحد سطح جا داد از اینرو توان تلف شده افزایش خواهد یافت لذا ولتاژ کاری ترانزیستورها مثل VDD , VT نیز بطور مرتب کاهش پیدا کرده است.

28. روند پیشرفت پارامترهای ترانزیستور

29. کوچک کردن اندازه Scaling by 1/2 It It would take 7 years to shrink this circuit 5 times

30. Layout • خروجی برنامه های طراحی داده است که برای ساخت به کارخانه فرستاده میشود. • این داده را Layout مینامند. از این داده برای ساخت ماسک هائی استفاده میشود که برای ساخت ترانزیستورها بکار میروند. • موضوع ساخت ترانزیستورها و layout موردنیاز در درس VLSI بررسی میشود.

31. FPGA Field Programmable Gate Array • مداراتی هستند که نقشی بین نرم افزار و سخت افزار بازی میکنند. • درداخل یک FPGA هزاران ترانزیستور و بعضا بلوک های محاسباتی مثل جمع کننده ها و غیره وجود دارد که اتصالات بین آنها را میتوان بصورت الکتریکی برنامه ریزی نمود. • از اینرو یک FPGA را میتوان برای پیاده سازی انواع مختلف مدارات دیجیتال مورد استفاده قرار داد.

32. خواص یک مدار دیجیتال ایده آل • یک مدار دیجیتال ایده آل باید بتواند: • تعداد نامحدودی ورودی داشته باشد • منطق مورد نظر را بدون تاخیر به انجام رساند • اتصال آن به گیت های دیگر تاثیری در عملکرد آن نداشته باشد • توان مصرفی آن صفر باشد

33. مشخصه انتقال ولتاژ Voltage transfer characteristic • یک مشخصه مهم برای هر گیت دیجیتال مشخصه انتقال ولتاژ یا VTC است. • این منخنی نحوه تغییر ولتاژ خروجی برحسب تغییرات ورودی را نشان میدهد. مشخصه انتقال ولتاژ گیت NOT

34. مشخصه انتقال ولتاژ یک معکوس کننده • سه ناحیه مشخصه انتقال: • ناحیه ورودی پائین: VI<VIL • ناحیه گذرا: VIL<VI<VIH • ناحیه ورودی بالا: VI>VIH • چون گذر از یک ناحیه به ناحیه دیگر تند نیست نقاط انتقال در جائی تعریف میشود که منحنی انتقال دارای شیب 1- باشد. • همچنین تعاریف زیر را برای ولتاژهای مختلف خواهیم داشت: • VOL :is the voltage output corresponding to logic zero • VOH:is the value of the output corresponding to logic one • VIL :is the maximum input voltage that will be interpreted as logic zero • VIH :is the minimum value that will be interpreted as logic one • The difference between the two output levels is called the logic swing: • LS = V OH -VOL

35. حاشیه امنیت نویز • نویز سیگنال تصادفی است که از خارج از سیستم به مدار دیجیتال اضافه میشود. • مدارات دیجیتال توانائی بالائی در تحمل نویز دارند. • حالتی را در نظر بگیرید که گیتی که خروجی بالا دارد گیت دیگری را تغذیه میکند. تا زمانیکه خروجی گیت اول طوری تغییر کند که مقدار ورودی گیت دوم هنوز برای آن به منزله سیگنال بالا باشد تغییری در وضعیت سیستم بوجود نخواهد آمد. از اینرو حاشیه امنیت نویز بالا بصورت زیر تعریف میشود: • High noise margin= VNMH=VOH-VIH • به همین تعریف حاشیه نویز پائین تعریف میشود: • Low noise margin = VNML=VIL-VOL VOH VNMH VIH VIL VNML VOL 0

36. Fan-In and Fan-Out • این دو ویژگی به نحوه اتصال گیت ها به دنیای خارج مربوط میشوند. • Fan-In عبارت است از تعداد ورودی های یک گیت. یک گیت Not دارای Fan-In برابر با یک است. برخی گیت ها میتوانند تا 8 ورودی داشته باشند. • Fan-Out عبارت است از حداکثر تعداد گیت های مشابهی که میتوان به خروجی یک مدار وصل نمود. این پارامتر بر اساس محدودیت های استاتیک و یا دینامیک تعیین میشود. • با توجه به اینکه جریان خروجی مدار در حالت 0و1 با هم فرق میکند Fan-Out استاتیک بصورت زیر تعریف میشود: • Fan-Out دینامیکی از روی سرعت سوئیچینگ مدار تعریف میشود. با افزایش گیت های متصل به خروجی، سرعت سوئیچینگ مدار کاهش می یابد. از اینرو مقدار مینیمم حالت استاتیک و دینامیکی بعنوان Fan-Out در نظر گرفته میشود. • مقدار معمول و مورد قبول Fan-Out بین 10 تا 20 میباشد.

37. اتلاف توان • توان استاتیک توانی است که وقتی مدار تغییر حالت نمیدهددر مدار تلف میشود. • مصرف توان یک مدار را باید پائین نگه داشت تاحرارت تولید شده در داخل وسیله که موجب خرابی آن میشود را کاهش داد. در ضمن اینکارامکان مصرف مدار در وسایل قابل حمل مثل گوشی های موبایل را افزایش میدهد. • توان مصرفی برای حالت هائی که خروجی بالا یا پائین است بصورت زیر تعریف میشود. • اگر مدار در نصف زمان در خروجی بالا و نصف دیگر آنرا در خروجی پائین درنظر بگیریم توان مصرفی برابر خواهد بود با: P L = VDD IDDL P H = VDD IDDH

38. اتلاف توان • توان دینامیکی برای حالتی در نظر گرفته میشود که یک بار خازنی در خروجی داشته باشیم. • اگر خروجی مدار مقابل از 0 به 1 تغییر کند، ولتاژ خازن نمیتواند بصورت آنی تغییر دهد از اینرو با ثابت زمانی وابسته به مقاومتی که در مسیر شارژ می بیند شارژ خواهد شد. توانی که در اینحالت از منبع کشیده میشود برابر است با: • در حالت شارژ کامل خازن بار ذخیره شده برابر خواهد بود با: • لذا خواهیم داشت. • اگر خروجی مدار با فرکانس f تغییر کند توان پویائی که در یک دوره تناوب در خازن تلف میشود برابر خواهد بود با: • لذا کل توان مصرفی گیت برابر خواهد بود با:

39. مشخصات حالات گذرا • شکل بالاعملکرد گذرای یک گیت معکوس کننده را به اعمال یک موج مربعی نشان میدهد. چهار مشخصه مهم حالات گذرا عبارتند از: low-to-high propagation delay, tPLH, high-to-low propagation delay, tPHL, output rise time, tR, and Outputfall time, tF

40. مشخصات حالات گذرا • زمانهای ,tRtF بین 10% و 90% خروجی اندازه گیری میشوند. • زمان تاخیر انتشار بر اساس قرارگرفتن خروجی در 50% مقدار نهائی اندازه گیری میشود. • در اغلب اوقات زمان انتشار از 0 به 1 با زمان انتشار از 1 به 0 متفاوت است مقدار متوسط آنها با tp نشان داده میشود. • فرکانس ساعت یک مدار با تاخیر انتشار آن رابطه معکوس دارد. یک رابطه سرانگشتی برای آن میتواند اینچنین باشد:

41. اندازه گیری تاخیر انتشار • یک راه اندازه گیری تاخیر انتشار یک گیت استفاده از اسیلاتور حلقوی زیر میباشد که از تعداد فردی گیت Not ساخته میشود. • اگر M تعداد گیت ها باشد فرکانس نوسان اسیلاتور برابر خواهد بود با: • البته توجه شود که فرکانس کاری واقعی یک مدار 50 تا 100 برابر فرکانسی است که از مدار فوق بدست می آید زیرا در این مدار ساده بسیاری از تاخیرات از جمله تاخیر انتشار سیمها در نظر گرفته نشده است.

42. حاصل ضرب تاخیر در توان • در حالت ایده آل میخواهیم مداری سریع با تلفات توان پائین داشته باشیم. که جمع کردن این دو خاصیت کار مشکلی است. • برای مقایسه های خانواده های منطقی از رابطه زیر استفاده میشود که برحسب انرژی بوده و واحد آن ژول است. • دقت شود که افزایش مقاومت باعث کاهش توان مصرفی میوشد اما در عین حال باعث کاهش سرعت نیز میشود. لذا کم کردن PDP ناشی از تغییر سایر پارامترهای مدار نیز ترانزیستورها خواهد بود.