دیجیتال الکترونیک

شیری سعید دکتر

Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department

درسی کتاب Digital integrated circuits : analysis and design / J.E.

Ayers, 2005 J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Digital

Integrated Circuits: A Design Perspective , 2nd Edition,Prentice Hall, 2003

MICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e Sedra/Smith صدیقی مهدی دکتر دیجیتال، الکترونیک

می را �موارد سایر و کتاب ، ها : اسالید کنید �د�انلود زیر سایت از توانید ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/digital electronics

نیزمی دانشکده سایت از را : کتاب کنید دریافت توانید Common\shiry\electronics

درس ارزیابی ترم میان درصد 25امتحان درصد 25پروژه رم�ت پ�ایان درصد 30امتحان درصد 15تمرین درصد 5کوئیز

درس مباحث خواهند قرار مطالعه مورد شده معرفی های کتاب از زیر مباحث

گرفت: دیجیتال مجتمع مدارات بر ای مقدمه تولید فرایند : ترانزیستور ، دیود هادی نیمه ترانزیستور BJT ادوات ،MOSFET منطقی های TTL, ECL, NMOS, CMOSخانواده توسط سازی PSPICEشبیه گیتهایCMOSCMOS پائین توان با منطقBiCMOS اتصالت ناپایدار مدارات حافظه مدارات طراحی

درس جایگاه

تاریخچه سال در آزمایش�گاه 1947ترانزیستور .BELLدر شد اختراع سال در قطبی دو .1949ترانزیستور شد معرفی شاتکی توسط سال دوقطبی 1956در ترانزیستور تکنولوژی از استفاده با دیجیتال گیت اولین

. شد ساخته مجتمع مدار خانواده (IC)اولین از سال TTLتجاری .1962در شد ساختهTTL مدارات ساخت برای تکنولوژی ترین موفق بعنوان متمادی سالهای برای

. الزم گیت هر که باالئی مصرفی توان بدلیل اما گرفت قرار استفاده مورد مجتمعدهه در و گشته محدود آن سازی مجتمع امکان خارج 80داشت رقابت میدان از

گردید. تکنولوژیMOS دهه دهه 60در در آن مجتمع مدارات اگرچه ) 70و گردید معرفی

در کانادا در قبال آن اولیه (. 1925اصول فریند به مربوطه مشکالت بود شده ثبت. انداخت عقب به دهه دو تا آنرا توسعه ساخت

ترانزیستورهای از مدارات های PMOSاولین ماشین همچون وسایلی در و ساخته. شدند استفاده حس�اب

سال ترانزیستورهای 1972در از �استفاده با شده ساخته مدارات را NMOSاینتل. داشتند بیش�تری سرعت که کرد معرفی

حافظه تکنولوژی 4Kbitاولین از استفاده با سال MOSنیز .1970در شد ساخته

تاریخچه های سرنوشت NMOS , PMOSتکنولوژی به دچار TTLهم

کرده پیدا سازی مجتمع محدودیت باال توان بعلت یعنی شدندبا .CMOSو شدند جایگزین

تکنولوژی حاضر حال لحاظ CMOSدر از غالب تکنولوژینیامده بوجود آن برای جایگزینی فعال و است مصرفی توان

است. باال بسیار بازدهی با مدارات مثل خاص کاربردهای در

) مثل) دیگری تکنولوژیهای از سریع های BiMOSحافظهخواص که میشود هم CMOSاستفاده با را قطبی دو و

. است کرده ترکیب: کرد اشاره زیر موارد به میتوان خاص تکنولوژیهای سایر از

ECL family—Gallium-Arsenide, Silicon-Germanium and , superconducting technologies

مدارات MOSFETموقعیت ات�مدار پائین توان مصرف و کوچک باعث MOSFETاندا�زه

نظیر پیچیده مدارت توس�عه در �را �اصلی نقش تا ا�ست شدهقابل �کامپیوترهای پرظرفیت، های حافظه �ها، ریزپردا�زنده

دیگر الکترونیکی تجهیزات بسیار�ی �و همراه �های تلفن حم�ل،. باش�ند داشته

یک �از و�ضعیت تغییر یعنی سوئیچینگ هنگام فقط مدار�ات اینمصرفی توان لذ�ا میکنند مصرف انرژ�ی دیگری به منطقی س�طحلذ�ا یابد می کاهش ش�ده تولید حرارت متعاقبا و آمده پائین �مدار

. باالس�ت بسیار آنها �سازی مجتمع امکان ی�تکنولوژ با �امروزی �های ر�یزپرداز�نده تمامی CMOSتقریبا

. میشوند ساخته �بایتی گیگا های ساخته DRAMحافظه �هائی س�لول ا�ز نیز

ترانزیستور یک ا�ز که بیت MOSFETمیشوند هر ذخیره �برای. �میکنند اس�تفاده

ترانزیستور اولین

مجتمع مدار اولین

4-BIT ALU

اینتل ساخت ریزپردازنده اولین

1000 transistors1 MHz operationNMOS only replacing PMOS based integrated circuits (higher speed)

Intel 4004 Micro-Processor (1971)

پنتیوم اینتل 4پردازنده ساخت

Intel Pentium (IV) microprocessor (2000)

مور قانون سال در است اینتل ب�نیانگذاران از یکی که مور

هر 1965 در ترانزیستورها تعداد که کرد بینی پیشهر مجتمع مدارات از مربع برابر 18اینچ دو ماه

. شود خواهد دو برای قانون این که هستند عقیده این بر بسیاری

. بماند باقی معتبر نیز دیگر دهه که سالهاست قانون این که دالیلی از یکی واقع در

آنرا هادی نیمه صنایع که است ای�ن دارد اعتبار. ان�د برگزیده خود برای هدفی بعنوان

ها حافظه پیشرفت روند

افزایشترانزیستورهای روندها پردازنده

پردازنده افزایشکارائی روندها

فرکانس کالک

ها پردازندههر 3در 2سال

شده برابرروند این و

همچنان . دارد ادامه

مجتمع مدارات پیشرفت مسیردیجیتال

it will be possible to buy a 28.8-GHz processor with 3 billiontransistors and 4700 pins for less than one microcent per transistor!

مجتمع مدرارت پیشرفت دلیلدیجیتال

میتوان را دیجیتال مجتمع مدارات سریع پیشرفت دالیل از یکیسازی خالصه .(Abstraction)امکان کرد ذکر مدرارت این

از متشکل مراتبی سلسله بصورت میتوان را پردازنده �یک. میدهند انجام را مشخصی عمل که دانست هائی بلوک

در مرتب بطور که میشود ساخته سلولهائی از �بلوک هر . هنگام در اینرو از میشوند استفاده مختلف های قسمت

. ش�وند کپی نظر مورد محل در که است �کافی فقط طراحی. میکند ساده بسیار را مجتمع مدارات طراحی اینکار

دادن قرار وبا میشود مدل دقیق بطورت بلوک هر عملکردآن عملکرد در تغییری نظر مورد مراتب سلسله در بلوک

. و ها ورودی بین روابط در فقط طراح اینرو از نیماید بوجودکه آنچه دانستن به نیازی و میکند توجه �بلوک هر های خروجی

. ندارد میگذرد �بلوک داخل در

مختلفطراحی سطوح

n+n+S

GD

+

DEVICE

CIRCUIT

GATE

MODULE

SYSTEM

کامپیوتر بکمک )CAD(طراحی توسط کامل بطور مجتمع مدارات طراحی امروزه

. ابزارها این میشود انجام کامپیوتری طراحی ابزارهای: میدهند انجام را مختلفی کارهای

simulation at the various complexity levels, design verification, layout generation, and design synthesis

پرمصرف اجزای برای زیادی های کتابخانه آن بر عالوههای گیت و محاسباتی مدارات ها، حافظه نظیر

. کنند ساده را طراحی کار تا اند آمده بوجود مختلف

افزارهای نرم از استفادهطراحی

تا میشوند باعث کامپیوتری افزارهای نرم از استفاده . آیند بوجود سریعتری ترانزیستورهای ساخت امکان

قویتری و سریعتر های کامپیوتر تا میشود باعث اینکار. شوند ساخته

افزارهای نرم از استفاده امکان سرعتر کامپیوترهای. میدهند را بهتری

ترانزیستورهای ساخت امکان بهتر افزارهای نرم. میکنند فراهم را سریعتر

معتبر مور قانون تا میشود باعث مثبت فیدبک این! بماند باقی

طراحی به مربوط مشکالتمراتبی سلسله

پیش از های بلوک ب�کمک طراحی اینکه علیرغممسائلی اما میرسد نظر به ای ساده کار آماده

شده طراحی مدار تا میشوند باعث که دارند وجود . باشند داشته نظر مورد طرح بآ متفاوتی عملکرد

: جمله از Clocks Defy Power Distribution Networks Defy Noise

خروجی و ها ورودی تعریفمدار های

شماتیک طراحیمدار

مدار سازی شبیه

Layoutطراحی

مدار آیامشخصات

دارد را الزم

سازی شبیه

نمونه ساخت

ارزیابی و تست

مدار آیامشخصات

دارد را الزم

مدار آیامشخصات

دارد را الزمتولید

خیر

خیر

ساخت مشکل خیر، احی طر مشکل خیر،

مجتمع مدار یک ساخت و طراحی مراحل

طراحی کلیات :کننده ضرب مدار يک طراحی است مطلوب بوث ٨در ٨مثال بيت

تکنولوژی در توان کم نانومتر 65پرسرعت

زیر های ویژگی یا و ها محدودیت است ممکن دیجیتال مدار یک طراحی در : و مساحت، مصرفی، توان زمانبندی، نظر، مورد منطق باشند نظر مد

نویز های ویژگی شده خواسته های نیازمندی که مناسبی معماری تا بود خواهید مجبور شما

. نمائید انتخاب نماید برآورده را الزم های ویژگی که کنید بهینه طوری را طراحی تا باشد الزم است ممکن

. باشد داشته را. میشود انتخاب نیاز مورد مدار شده انتخاب معماری به توجه با . نیازها کردن برآورده به قادر مدار اگر میگیرد قرار ارزیابی مورد مدار

. شبیه ابزارهای نماید تغییر معماری حتی یا و مدار است ممکن نباشد. مینمایند مدارات ارزیابی انجام به بزرگی کمک سازی

Layout . میشود ارزیابی مجددا سازی شبیه طریق از و تهیه مدار به مربوط

سازی شبیه افزار برای SPICEنرم که سالهاست آن خانواده هم افزارهای نرم و

. میروند بکار الکترونیکی مدارات سازی شبیهSimulation Program for Integrated Circuits Emphasis

شبیه برای الکترونیکی مدارات مدلسازی کلی اصول با درس این در. شد خواهیم آشنا آنها سازی

انتقال و ترانزیستورها بر حاکم فیزیکی اصول مبنای بر افزار نرم این . فیزیکی مدلهای باید آن از استفاده برای لذا میکند کار جریان �و ولتاژ

. گیرد قرار استفاده مورد ترانزیستور افزایش هم آنها سازی شبیه برای الزم زمان مدلها شدن تر پیچیده با

. سازی شبیه به نسبت برنامه این با سازی شبیه کلی حالت در یابد میمثل زبانهائی با که .HDL, Verilogهائی است تر کند میشود انجام

نرم توسط طراحی مراحل از مختلف مرحله چندین در مجتمع مدارات. میگیرند قرار آزمایش مورد سازی شبیه افزارهای

توان و انتشار تاخیر مثل مواردی الجیک کردن چک بر عالوه سازی شبیه. میشود شامل را مصرفی

Scaling است آمده بوجود دیجیتال الکترونیک صنعت در که تحولی

. ست ترانزیستورها اندازه کردن کوچک مرهون دیجیتال مدارات و ترانزیستورها اندازه کردن کوچک

استفاده مورد سطح و مصرفی توان تا میشود باعثهزینه با را مشخص عمل یک بتوان و کرده پیدا کاهش

. داد انجام کمتری از بیشتری تعداد میتوان ترانزیستور اندازه کردن کوچک با

شده تلف توان اینرو از داد جا سطح واحد در را آنهامثل ترانزیستورها کاری ولتاژ لذا یافت خواهد افزایش

VDD , VT . است کرده پیدا کاهش مرتب بطور نیز

پارامترهای پیشرفت روندترانزیستور

اندازه کردن کوچک

It would take 7 years to shrink this circuit 5 times

Scaling by 1/2It

Layout برای که است داده طراحی های برنامه خروجی

. میشود فرستاده کارخان�ه به ساخت را داده . Layoutاین برای داده این از مینامند

برای که میشود استفاده هائی ماسک ساخت. میروند بکار ترانزیستورها ساخت

ترانزیستورها ساخت موضوعدرس layoutو در VLSIموردنیاز

. میشود بررسی

FPGAField Programmable Gate Array

سخت و افزار نرم بین نقشی که هستند مداراتی . میکنند بازی افزار

یک بلوک FPGAدرداخل بعضا و ترانزیستور هزاراندارد وجود غیره و ها کننده جمع مثل محاسباتی های

الکتریکی بصورت میتوان را آنها بین اتصاالت که. نمود ریزی برنامه

یک اینرو انواع FPGAاز سازی پیاده برای میتوان را. داد قرار استفاده مورد دیجیتال مدارات مختلف

آل ایده دیجیتال مدار خواصیک: بتواند باید آل ایده دیجیتال مدار یک

باشد داشته ورودی نامحدودی تعداد رساند انجام به تاخیر بدون را نظر مورد منطق آن عملکرد در تاثیری دیگر های گیت به آن اتصال

باشد نداشته باشد صفر آن مصرفی توان

مشخصه دیجیتال گیت هر برای مهم مشخصه یکیا ولتاژ .VTCانتقال است

برحسب خروجی ولتاژ تغییر نحوه منخنی این. میدهد نشان را ورودی تغییرات

ولتاژ انتقال مشخصه Voltage transfer characteristic

گیت ولتاژ انتقال NOTمشخصه

یک ولتاژ انتقال مشخصهمعکوسکننده

: انتقال مشخصه ناحیه سه: پائین ورودی VI<VIL ناحیه: گذرا VIL<VI<VIH ناحیه: باال ورودی VI>VIH ناحیه دیگر ناحیه به ناحیه یک از گذر چون

جائی در انتقال نقاط نیست تندانتقال منحنی که میشود تعریف

شیب .1دارای باشد-

�مختلف ولتاژهای برای را زیر تعاریف همچنین: داشت خواهیم

VOL :is the voltage output corresponding to logic zero VOH :is the value of the output corresponding to logic oneVIL :is the maximum input voltage that will be interpreted as logic zero VIH :is the minimum value that will be interpreted as logic oneThe difference between the two output levels is called the logic swing:

LS = V OH -VOL

نویز امنیت حاشیه �دیجیتال مدار به سیستم از خارج از که است تصادفی سیگنال نویز

. میشود اضافه. دارند نویز تحمل در باالئی توانائی دیجیتال مدارات را دیگری گیت دارد باال خروجی که گیتی که بگیرید نظر در را حالتی

. مقدار که کند تغییر طوری اول گیت خروجی زمانیکه تا میکند تغذیهدر تغییری باشد باال �سیگنال منزله به آن برای هنوز دوم گیت ورودی

. باال نویز امنیت حاشیه اینرو از آمد نخواهد بوجود سیستم وضعیت: میشود تعریف زیر بصورت

High noise margin= VNMH=VOH-VIH: میشود تعریف پائین نویز حاشیه تعریف همین به

Low noise margin = VNML=VIL-VOL

0VOL

VIL

VIH

VOHVNMH

VNML

Fan-In and Fan-Out. میشوند مربوط خارج دن�یای به ها گیت اتصال نحوه به ویژگی دو اینFan-In . گیت یک گیت یک های ورودی تعداد از است ب�ا Fan-Inدارای Notعبارت برابر

. تا میتوان�ند ها گیت برخی است .8یک باشند داشته ورودیFan-Out مدار یک خروجی به میتوان که مشابهی های گیت تعداد حداکثر از است عبارت

. . میشود تعیین دینامیک یا و استاتیک های محدودیت اساس بر پارامتر این نمود وصل حالت در مدار خروجی جریان اینکه به توجه میکند 1و0با فرق هم استاتیک Fan-Outبا

: میشود ت�عریف زیر بصورت

Fan-Out . های گیت افزایش با میشود تعریف مدار سوئ�یچینگ سرعت روی از دینامیکی . حالت مینیمم مقدار اینرو از یاب�د می کاهش مدار سوئیچینگ سرعت خروجی، به متصل

بعنوان دینامیکی و . Fan-Outاستاتیک میشود گرفته نظر در قبول مور�د و معمول .20تا 10بین Fan-Outمقدار میباشد

IIIL

OLNL IIIH

OHNH ),( NLNHMinOutFan

توان اتالف مدار وقتی که است توانی استاتیک توان

. میشود �تلف مدار نمیدهددر �حالت تغییر نگه پائین باید را مدار یک �توان �مصرف

وسیله داخل در شده تولید تاحرارت �داشت . داد کاه�ش را میش�ود آن خرابی �موجب که

در مدار �مصرف اینکارامکان ضمن درموبایل های گوشی مثل حمل قابل وسایل

. میدهد �افزایش را خروجی که هائی حالت برای مصرفی توان

تعریف زیر بص�ورت است پائین یا باالمیشود.

و باال خروجی در زمان �نصف در مدار اگردرنظ�ر پائین خروجی در آنرا دیگر �نصف: با بود خواهد برابر مصرفی توان بگیریم

VDD

iDD

VDD

GND

CL

IN OUT

P L = VDD IDDL

P H = VDD IDDH

توان اتالف گرفته نظر در حالتی برای دینامیکی توان

داشته خروجی در خازنی بار یک که میشودباشیم.

از مقابل مدار خروجی کند، 1به 0اگر تغییراز دهد تغییر آنی بصورت نمیتواند خازن ولتاژ

در که مقاومتی به وابسته زمانی ثابت با اینرو . توانی شد خواهد شارژ بیند می شارژ مسیر

برابر میشود کشیده منبع از اینحالت در که: با است

شده ذخیره بار خازن کامل شارژ حالت در: با بود خواهد برابر

. داشت خواهیم لذا فرکانس با مدار خروجی توان fاگر کند تغییر

تلف خازن در تناوب دوره یک در که پویائی: با بود خواهد برابر میشود

: با بود خواهد برابر گیت مصرفی توان کل لذا

VDD

iDD

VDD

GND

CL

IN OUT

QdtidtiW VVV DDDDDD

VC DDLQ

2DDVfCP LAC

2VC DDLW

PPP DCAC

گذرا حاالت مشخصات

�گیت یک گذرای باالعملکر�د �شکلموج یک اعمال به را کننده معک�وس . مشخصه چه�ار میدهد �نشان �مر�بعی

: از عبارتند گذرا حاالت مهم

VOUT

VIN

t

ttRtF

tPLHtPHL

low-to-high propagation delay, tPLH, high-to-low propagation delay, tPHL, output rise time, tR, and Output fall time, tF

گذرا حاالت مشخصات زمانهای, tR tF گیری% 90و% 10بین اندازه خروجی

میشوند. در خروجی قرارگرفتن اساس بر انتشار تاخیر % 50زمان

. میشود گیری اندازه نهائی مقدار از انتشار زمان اوقات اغلب از 1به 0در انتشار زمان بابا 0به 1 آنها متوسط مقدار است داده tp متفاوت نشان

میشود. رابطه آن انتشار تاخیر با مدار یک فرکانسساعت

. میتواند آن برای سرانگشتی رابطه یک دارد معکوس: باشد اینچنین

انتشار تاخیر گیری اندازه زیر حلقوی اسیالتور از استفاده گیت یک انتشار تاخیر گیری اندازه راه یک

گیت فردی تعداد از که .Notمیباشد میشود ساخته

اگرM: با بود خواهد برابر اسیالتور نوسان فرکانس باشد ها گیت تعداد

مدار یک واقعی کاری فرکانس که شود توجه فرکانسی 100تا 50البته برابرتاخیرات از بسیاری ساده مدار این در زیرا آید می بدست فوق مدار از که است

. است نشده گرفته نظر در سیمها انتشار تاخیر جمله از

توان در تاخیر ضرب حاصل پائین توان تلفات با سریع مداری میخواهیم آل ایده حالت در

. مشکلی کار خاصیت دو این کردن جمع که باشیم داشتهاست.

استفاده زیر رابطه از منطقی های خانواده های مقایسه برای. است ژول آن واحد و بوده انرژی برحسب که میشود

مصرفی توان کاهش باعث مقاومت افزایش که شود دقت . لذا میشود نیز کاهشسرعت باعث حال عین در اما میوشد

کردن نیز PDPکم مدار پارامترهای سایر تغییر از ناشی. بود خواهد ترانزیستورها