Inhaltsverzeichnis Grundlagen Integrierter Schaltungen

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................................i
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................. v
1
2
Einführung in die digitale Schaltungstechnik .................................................................... 1
1.1
Begriffsdefinitionen ........................................................................................................ 1
1.2
Gliederung mit Beispiel Entzerrer...................................................................................3
Bauelemente der Digitaltechnik und ihre Eigenschaften .................................................. 7
2.1
Modellierung von Bauelementen .................................................................................... 8
2.2
Diode ............................................................................................................................... 9
2.2.1
Aufbau und Bänderschema .....................................................................................9
2.2.2
Statisches Verhalten .............................................................................................. 10
2.2.2.1 Diodengleichung ............................................................................................... 10
2.2.2.2 Kennlinie ........................................................................................................... 12
2.2.2.3 Kleinsignalverhalten.......................................................................................... 14
2.2.2.4 Reihenschaltung Diode - Widerstand................................................................ 15
2.2.3
Dynamisches Verhalten......................................................................................... 18
2.2.3.1 Sperrschichtkapazität ........................................................................................ 18
2.2.3.2 Diffusionskapazität............................................................................................ 19
2.2.3.3 Dynamisches Großsignalersatzschaltbild.......................................................... 19
2.2.3.4 Dynamisches Kleinsignalersatzschaltbild ......................................................... 20
2.2.3.5 Schaltverhalten .................................................................................................. 21
2.2.4
SPICE-Modellparameter ....................................................................................... 24
2.3
MOSFET ....................................................................................................................... 25
2.3.1
MOSFET-Typen und Schaltzeichen ..................................................................... 26
2.3.2
Aufbau...................................................................................................................27
2.3.3
Zustände der MOS-Struktur .................................................................................. 30
2.3.3.1 Thermodynamisches Gleichgewicht: UGB = 0 V ............................................. 32
2.3.3.2 Flachbandfall: UGB = UFB ................................................................................. 33
2.3.3.3 Akkumulation von Löchern: UGB < UFB .......................................................... 34
2.3.3.4 Verarmung: UGB > UFB..................................................................................... 35
2.3.3.5 Inversion: UGB >> UFB ..................................................................................... 36
2.3.4
Schwellenspannung für starke Inversion............................................................... 39
2.3.4.1 Ladung in der Raumladungszone...................................................................... 40
2.3.4.2 Ladung in der Inversionsschicht ....................................................................... 41
2.3.4.3 Einfluss der Bulk-Source-Spannung USB .......................................................... 44
2.3.5
Kennlinien und Stromgleichungen des MOSFET................................................. 46
2.3.5.1 Ableitung der Stromgleichungen ...................................................................... 47
2.3.5.2 Kennlinien ......................................................................................................... 52
2.3.5.3 Kanallängenmodulation .................................................................................... 54
2.3.5.4 Zusammenfassung Stromgleichungen MOSFET............................................. 56
2.3.5.5 Effekte zweiter Ordnung ................................................................................... 57
2.3.6
Dynamisches Großsignal-Ersatzschaltbild des MOSFET..................................... 59
2.3.7
Kleinsignalersatzschaltbild.................................................................................... 63
2.3.8
2.3.9
3
Regeln für die Strukturverkleinerung ................................................................... 65
Beispiel: NMOS-Inverter mit resistiver Last ........................................................ 67
Digitale Grundschaltungen ................................................................................................ 71
3.1
Einführung und Übersicht............................................................................................. 71
3.1.1
Störungen und Störabstände.................................................................................. 73
3.1.2
Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-Logik (CMOS)............................ 76
3.2
CMOS Inverteraufbau................................................................................................... 77
3.2.1
Gleichstromverhalten ............................................................................................ 77
3.2.2
Berechnung des statischen Störabstandes von CMOS-Invertern.......................... 83
3.2.3
Dynamischer Störabstand ..................................................................................... 86
3.3
Schaltverhalten des CMOS-Inverters............................................................................ 88
3.3.1
Kleinsignalverhalten des CMOS-Inverters ........................................................... 88
3.3.2
Großsignalverhalten des CMOS-Inverters............................................................ 90
3.3.2.1 Herleitung der Verzögerungszeit ...................................................................... 92
3.3.2.2 Berechnung der Lastkapazität........................................................................... 96
3.4
Treiberschaltungen...................................................................................................... 101
3.4.1
Tristate-Treiber ................................................................................................... 104
3.5
Verlustleistung und Verlustleistungs-Verzögerungs-Produkt .................................... 105
3.6
Transfertransistor-/Transfergatter-Logik .................................................................... 110
3.7
Dynamische Grundschaltungen .................................................................................. 112
3.7.1
Bootstrap-Schaltung............................................................................................ 113
3.7.2
Verriegelungsschaltung (Clocked CMOS, C2MOS)........................................... 115
3.8
4
Differentielle Grundschaltung..................................................................................... 116
Integrierte CMOS-Logikschaltungen ............................................................................. 122
4.1
NOR-Gatter................................................................................................................. 122
4.1.1
Optimierung durch Zusammenlegung von Netzknoten ...................................... 128
4.2
NAND-Gatter.............................................................................................................. 132
4.3
Beliebige Logikkombinationen................................................................................... 133
4.3.1
Beispiele zu beliebigen Logikkombinationen..................................................... 134
5
4.4
Transfertransistor- und Transfergatter-Logik ............................................................. 136
4.5
Dynamische CMOS-Logik (Domino-Logik).............................................................. 137
4.6
Pseudo-NMOS-Logik ................................................................................................. 139
Kipp- und Speicherschaltungen....................................................................................... 140
5.1
Bistabile Kippschaltung .............................................................................................. 141
5.1.1
Kippvorgang bei einer CMOS-Flip-Flop-Schaltung........................................... 142
5.2
Grundschaltungen von Flip-Flops............................................................................... 148
5.2.1
RS-Flip-Flop ....................................................................................................... 148
5.2.2
Taktgesteuertes Flip-Flop ................................................................................... 149
5.2.3
Getaktetes D-Flip-Flop ....................................................................................... 150
5.2.4
J-K-Flip-Flop ...................................................................................................... 151
5.2.5
Dynamische Flip-Flops ....................................................................................... 152
5.3
Master-Slave-Prinzip................................................................................................... 153
5.4
SRAM-Zelle ................................................................................................................ 154
5.4.1
Dekodierschaltungen (Decoder).......................................................................... 158
6
5.5
DRAM-Zelle ............................................................................................................... 163
5.6
Lesespeicher (ROM) ................................................................................................... 167
5.7
Monostabile Kippschaltungen..................................................................................... 172
5.8
Astabile Kippstufe....................................................................................................... 174
5.9
Übersicht der Kippschaltungsarten ............................................................................. 177
Arithmetische Module....................................................................................................... 178
6.1
Addierer....................................................................................................................... 181
6.1.1
Der Volladdierer.................................................................................................. 181
6.1.2
Ripple-Carry-Addierer ........................................................................................ 184
6.1.3
Carry-Skip-Addierer............................................................................................ 185
6.1.4
Carry-Select-Addierer ......................................................................................... 186
6.1.5
Carry-Lookahead-Addierer ................................................................................. 187
6.1.6
Beispiele für Schaltungstechniken in CMOS...................................................... 190
6.2
7
Multiplizierer............................................................................................................... 200
Literaturliste ...................................................................................................................... 208
Seminaraufgaben....................................................................................................................... 209
Aufgabe 1
Widerstands-Inverter mit n-Kanal MOSFET................................................ 210
Aufgabe 2
Dynamisches Verhalten des Widerstand-Inverters ....................................... 214
Aufgabe 3
Kippschaltung mit Widerstandslastinvertern ................................................ 216
Aufgabe 4
Statischer CMOS-Inverter – Statisches Verhalten ........................................219
Aufgabe 5
CMOS-Kippschaltung ...................................................................................... 223
Aufgabe 6
Taktverteilung mit CMOS-Invertern............................................................. 225
Aufgabe 7
Multiplexer für die serielle Datenübertragung .............................................. 229
Aufgabe 8
Schmitt-Triggerschaltung................................................................................. 231
Aufgabe 9
Statische CMOS Logikschaltungen ................................................................. 234
Aufgabe 10
Dynamische CMOS-Logik................................................................................ 236
Aufgabe 11
Astabiler CMOS-Multivibrator ....................................................................... 238
Aufgabe 12
Dynamische Speicherzelle ................................................................................ 240