1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

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Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 GND Ui1 Ui2 Uref Abb. 8. 20: ECL-Gatter Is Vss (-5V) 12 Q' Q Ref1 Ref2 (extern) (extern) Emitterfolger Das Gatter erzeugt eine OR / NOR - Verknüpfung zwischen den Eingangssignalen Ui1 und Ui2. Wenn einer der leiden linken Transistoren leitend ist, so fließt der Konstantstrom durch diesen Zweig. Zusätzlich besitzt die Schaltung zwei weitere Transistoren, die als Emitterfolger geschaltet (kein Widerstand im Kollektorkreis) als reine Stromverstärker arbeiten. Die externen Lastwiderstände Ref1 und Ref2 können z. B. durch die Eingänge nachfolgender Gatter gebildet werden. ECL-Schaltkreise haben über mehr als ein Jahrzehnt (ca. 1970 bis 1990) als Basistechnlogie für den Aufbau von Großrechnern (auch "Mainframes" genannt) gedient. ECL ist die "Mainframe- Technolgie" schlechthin. Dazu wurden mittelhoch integrierte ECL-Bausteine mit bis zu ca. 10 000 Gattern entwickelt (z. B. bei IBM, Siemens, Fujitsu). Das Problem war stets die Abführung der hohen Verlustleistung. In Mainframes hat man mit speziellen wasserdurchflossenen Träger- Modulen für ECL-Schaltkreise bis zu ca. 80 W Verlustleistung pro cm 2 abführen können. In erster Linie dieses Problem, darüber hinaus aber auch der im Vergleich zu MOS-Technologien hohe Platzbedarf haben schließlich dazu geführt, daß ECL-Schaltkreise den Integrationsgrad von MOS-ICs auch nicht annähernd erreichen konnten. Allerdings sind Schaltzeiten unter 0,1 ps für ECL-Gatter durchaus beeindruckend. 8.5 MOS-Technologien 8.5.1 Einleitung Wir haben im Kapitel 7 kennengelernt, daß MOS-Transistoren sich als n- und als p-Kanal-Typen entweder selbstleitend oder selbstsperrend realisieren lassen. Die ersten MOS-Technologien für ICs waren p-Kanal-Technologien, weil zu der Zeit (ca. bis Mitte der 70er Jahre) ein p-Kanal-Transistor in selbstsperrender Technik herstellbar war, während die n- Kanal-Techniken zunächst zu selbstleitenden Transistoren führten. Die Ursachen waren Oberflächen- Effekte. Als man ab ca. Mitte der 70er Jahre in n-Kanal-Technologie sowohl selbstleitende als auch selbstsperrende Transistoren fertigen konnte, wurde bis ca. Mitte der 80er Jahre die nMOS-Technologie das Arbeitspferd der VLSI (very large scale integration) Technik.
Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 In den 70er Jahren entstand zunächst nur als Exot für Low-Power-Anwendungen (das waren die auf minimalen Stromverbrauch getrimmten Schaltungen in elektronischen Armbanduhren) die Complementary MOS (CMOS-) Technologie, die in Kombination selbst-sperrende n-Kanal und p- Kanal-Transistoren verwendet. Als sich ab ca. der Mitte der 80er Jahre das Problem der Wärmeableitung auch bei nMOS eine für den Fortschritt der Integrationstechnik wesentliche Rolle zu spielen bekann, führte das zu einem schnellen allgemeinen Durchbruch der CMOS-Technologie. Seit ca.1990 werden alle hochintegrierten Prozessoren und Speicher in CMOS-Technologie gebaut. Das Problem der Wärmeabfuhr ist damit aber nicht endgültig gelöst: Bei hohen Taktraten ab ca. 100 MHz sind die statischen Verluste weniger bedeutend als die beim Umladen der Kapazitäten entstehenden dynamischen Verluste. Hier hilft bis zu einem gewissen Grade die Verringerung der logischen Hübe (wie bei ECL), um die dynamische Verlustleistung in Grenzen zu halten. Leider aber bewirken kleinere Hübe auch geringere Störabstände. Inzwischen (1997) sind die Taktraten von Prozessoren so hoch geworden, daß die dynamische Verlustleistung die wesentliche Rolle spielt. 8.5.2 nMOS -Technologie Wir wollen an dieser Stelle zunächst das Schaltverhalten einfacher digitaler Schaltungen betrachten. Die einfachste digitale Schaltung ist dabei ein Inverter, der wiederum im einfachsten Fall aus einem aktiven Transistor und einem passiven Lastwiderstand aufgebaut ist (Abb. 8.22). I KS I DS U GS als Parameter Lastkennlinie R D U LL U DS 13 U GS R D VDD n-enh. out GND Abb. 8.22: Inverter mit Lastwiderstand und Ausgangs-Kennlinienfeld Das Betriebsverhalten dieser Schaltung läßt sich leicht erklären: Zunächst seien die Extremfälle betrachtet. Ist der Transistor ideal gesperrt (I DS = 0), so fällt am Widerstand R D keine Spannung ab. Die Spannung am Ausgang des Inverters ist dann die "Leerlaufspannung" ULL, und diese entspricht der Versorgungsspannung VDD (gilt nur dann, wenn keine zusätzlichen Belastungen am Ausgang out bestehen). Ist dagegen der Transistor ideal leitend (UDS = 0), so wird die Ausgangsspannung zu null, durch den Widerstand R D fließt ein Strom der Größe I KS = VDD / R D. Real wird der Transistor immer noch einen endlichen Widerstand aufweisen, so daß die minimale Ausgangsspannung nicht null sein kann. Für die Praxis der MOS-Technologie ist diese Schaltung nicht von wesentlicher Bedeutung, da die Realisierung eines Widerstandes von einigen kOhm auf einem IC nur schwer möglich ist. Die frühesten Realisierungen integrierter MOS-Schaltungen verwendeten als aktives Element einen p-Kanal-Transistor, man sprach deshalb von der pMOS-Technologie. Sie wurde aber bereits in den frühen 80er Jahren weitgehend durch die nMOS-Technologie angelöst.
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