1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

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Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Quelle / Eingang Pass-Transistor GND Steuersignal Ausgang Quelle / Eingang Abb. 8.5: Pass-Transistor und Transmission Gate 4 Transmission Gate GND Steuersignal Steuersignal Ausgang Insbesondere die Pass-Transistor-Schaltung ist recht hochohmig bzw. schaltet nur recht langsam vom sperrenden in den leitenden Zustand um. Wesentlich besser in dieser Beziehung ist das Transmission Gate, bei dem jeweils ein p-Kanal- und ein n-Kanal-Transistor parallelgeschaltet werden. Diese beiden Transistoren benötigen dann komplementäre Signale zur Ansteuerung. 8.2 Monolithisch integrierte Schaltungen Digitale Schaltungen, die aus einzelnen diskreten Transistoren aufgebaut waren, wurden vorwiegend in den 60er Jahren in Rechnern verwendet. Seitdem haben monolithisch integrierte Schaltungen Einzug gehalten, bei denen mehrere Transistoren (in den ersten Technologien) bis zu Millionen von Transistoren (seit den 80er Jahren) gemeinsam gefertigt werden. Wir haben im letzten Kapitel bereits einzelne so gefertigte Transistoren betrachtet. N-well CMOS Technology n-channel p-channel GND VDD n+ n+ p+ p+ p- bulk silicon n-well n-diffusion p-diffusion metal gate-oxide field-oxide p - bulk poly-silicon n-well Abb. 8.6: Monolithisch integrierter Schaltkreis (Schnitt durch einen Inverter in CMOS- Technologie) Auch die Schaltungstechnik, die für monolithisch integrierte Schaltkreise verwendet wird, ist speziell auf deren Fertigungsmöglichkeiten abgestimmt. Vorab ist wichtig, daß bei der Fertigung von ICs stets gewisse Toleranzen auftreten. Man wird also z. B. kaum einen Widerstand von genau 100 Ohm fertigen können, sondern muß stets Streuungen etwa zwischen 90 und 110 Ohm tolerieren. Der Entwurf muß also stets darauf ausgelegt sein, daß eine Schaltung auch bei solchen Toleranzen noch funktioniert. Schaltungen, deren Funktion nur bei Einhaltung absoluter Werte von Bauelementen gewährleistet ist, werden auf dem IC nicht oder allenfalls mit geringster Ausbeute bei der Fertigung funktionieren. Zulässig und weit verbreitet sind dagegen Techniken, bei denen die Funktion auf einem festen Verhältnis zwischen zwei Widerständen oder zwei Kapazitäten beruht.
Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Günstig und flächensparend realisieren lassen sich: − p-n-Dioden gegen das Grundsubstrat, wobei für die Polung eine Vorzugsrichtung existiert, die durch die Art des Grundsubstrats (p- oder n-) bestimmt ist. − Transistoren, wobei in der bipolaren IC-Technologie vorwiegend npn-Transistoren als aktive Schalter zum Einsatz kommen. pnp-Transistoren sind möglich, sind aber vergleichsweise viel langsamer und werden aber eher als passive Widerstandselemente verwendet. In MOS- Technologien werden sowohl n-Kanal als auch p-Kanal-Transistoren als aktive Schalter benutzt. − Widerstände etwa im Bereich zwischen 1 kOhm und 100 kOhm durch Verwendung von Transistoren, wobei aber die Widerstandswerte nicht konstant sind. Widerstandswerte bis ca. 100 kOhm sind durch widerstandsbehaftete Leitungen realisierbar. − Kondensatoren gegen Masse (Grundsubstrat) von unter 0,1 pF. Transistor mit Substratanschluß an Masse (n-Kanal) GND Signalleitung oder Transistor mit Substratanschluß an VDD (p-Kanal) R 5 = Signalleitung Abb. 8.7a: Gut realisierbare integrierte Bauelemente (MOS) npn-Transistor pnp-Transistor (aktiver Schalter) (passiv, NF) Abb. 8.7 b: Integrierte Bauelemente (bipolar) Nur schwer realisierbar sind: VDD Multi-Emitter-Transistor − "Schwebende" Dioden zwischen Leitungen − "Schwebende" Kondensatoren − präzise Widerstandswerte − Widerstände unter 100 Ohm (ungenau) und über ca. 100 kOhm GND nur als: über 1 kOhm Abb. 8.8: In IC-Technologie bedingt realisierbare Bauelemente
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