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2015 | Buch

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Integrierte Digitale Schaltungen

Vom Transistor zur optimierten Logikschaltung

verfasst von: Heinrich Klar, Tobias Noll

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Diese dritte Auflage bietet einen vollständig überarbeiteten Blick auf alle Aspekte der integrierten digitalen Schaltungstechnik. Aufbauend auf der Halbleiterphysik moderner CMOS-Transistoren und deren Herstellung werden digitale und wenn nötig analoge Grundschaltungen behandelt. Weiter werden Funktionsblöcke wie Speicherschaltungen, Addierer und Multiplizierer besprochen. Als neuer Schwerpunkt der dritten Auflage ziehen sich die Auswirkungen der zeitlichen und örtlichen Schwankungen der Versorgungsspannungen und der Temperatur sowie die Einflüsse der herstellungsbedingten Schwankungen der Transistorparameter wie ein roter Faden durch alle Kapitel. Methoden zur Minimierung der Verlustleistung bilden einen weiteren neuen Schwerpunkt des Buches. Es wird, wie in den bisherigen Auflagen, die technologieorientierte und die systemorientierte Schaltungstechnik gemeinsam und zusammenhängend dargestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
1948 setzte mit der Erfindung des Germanium-Punkt-Transistors von W. Shockley, W. Brattain und J. Bardeen von den Bell-Laboratorien eine stürmische Entwicklung ein, die schließlich zum Siegeszug der Mikroelektronik führte. Zur Mikroelektronik gehören der Entwurf, die Herstellung und die Anwendung von integrierten Schaltungen. Eine integrierte Schaltung besteht aus einem Stück Halbleitermaterial, dies ist meistens Silizium, auf dem elektronische Bauelemente miteinander verbunden sind. Die Schaltungstechnik beschreibt, wie die einzelnen Bauelemente dimensioniert werden müssen und wie die Bauelemente miteinander verbunden werden müssen, so dass eine bestimmte Funktion erzielt wird.
Heinrich Klar, Tobias Noll
2. Physik und Herstellung von MOS-Transistoren
Zusammenfassung
Kapitel zwei enthält eine Diskussion der fundamentalen Halbleiterphysik von MOS-Transistoren. Die Ableitung von einfachen Spannungs-Strom-Gleichungen erhellt die Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der Schaltungen von Herstellungsparametern. Die zunehmende Verringerung der Strukturgrößen führt zu erheblichen Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Verhalten der MOS-Transistoren und den Vorhersagen der einfachen Theorie. Deswegen werden zusätzlich Kurzkanaleffekte und Hochfeldeffekte besprochen. Weiter werden Ersatzschaltbilder abgeleitet und das Netzwerkanalyseprogramm SPICE behandelt.
Sodann wird die Herstellung integrierter MOS-Schaltungen erläutert. Ein besonderer Schwerpunkt der Betrachtung liegt auf Transistorstrukturen, die eine Reduktion der störenden Leckströme erlauben. Da sich die Herstellung der Masken für den photolithographischen Prozess dramatisch verteuert hat, werden ausführlich die Gründe dafür dargelegt. Am Ende des Kapitels werden wichtige Punkte wie Ausbeute, Design-Regeln und insbesondere Parameterschwankungen angesprochen.
Heinrich Klar, Tobias Noll
3. Leitungen
Zusammenfassung
Nach den aktiven Elementen werden im dritten Kapitel die passiven Elemente einer integrierten Schaltung erläutert. Zunächst werden die diskreten Bauelemente – wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten – behandelt. Dann wird die Signalübertragung auf integrierten Leitungen besprochen. Der besondere Schwerpunkt liegt auf den RC-Leitungen und auf der Kopplung zwischen den RC-Leitungen. Da in Zukunft auch induktive Effekte berücksichtigt werden müssen, werden auch RLC-Leitungen angesprochen.
Heinrich Klar, Tobias Noll
4. Grundschaltungen
Zusammenfassung
Die Grundschaltungen werden im vierten Kapitel erläutert. Zunächst wird ein ideales Logikelement angesprochen. Sodann wird ein Maß für die Unempfindlichkeit einer digitalen Schaltung im Hinblick auf Störungen angegeben. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Berechnung der Verlustleistung, die im Chip in Wärme umgesetzt wird. Anhand von Invertern werden das statische und das dynamische Verhalten von Logikgattern erläutert. In diesem Kapitel werden auch Schaltungen zum Treiben von großen Lasten, die auf dem Chip insbesondere als Ausgangstreiber und Takttreiber auftreten, behandelt. Als Einführung in die analoge Schaltungstechnik werden die elektrischen Eigenschaften von Differenzstufen im Großsignal- und Kleinsignalbetrieb beschrieben.
Der Darstellung von Grundschaltungen – wie Latches, Register und Flip-Flops – ,die Informationen speichern können, ist ein weiterer Abschnitt dieses Kapitels gewidmet. Anschließend werden die wichtigsten statischen und dynamischen Logikfamilien der CMOS-Technologie ausführlich behandelt. Die Dimensionierung einer Kette komplexer Gatter wird erläutert. Schließlich werden in diesem Kapitel Methoden beschrieben, mit denen es gelingt, die Verlustleistung minimal zu gestalten.
Heinrich Klar, Tobias Noll
5. Takte
Zusammenfassung
Das fünfte Kapitel ist den gebräuchlichsten Taktsystemen, wie dem Ein-Phasen-Taktsystem oder dem nichtüberlappenden Zwei-Phasen-Taktsystem gewidmet. Es werden Taktversatz und -Jitter besprochen. Dieses Kapitel schließt die Takterzeugung mittels PLL-Schaltungen und die Taktverteilung ein.
Heinrich Klar, Tobias Noll
6. Halbleiterspeicher
Zusammenfassung
Das sechste Kapitel umfasst die Halbleiterspeicher, wie SRAM (statische Speicher) und Flash-Speicher, die zusammen mit Logikschaltungen in komplexen Prozessoren integriert werden. Anhand beider Speichertypen lässt sich zeigen, dass mit der fortschreitenden Strukturverkleinerung klassische Entwürfe an die Grenzen der Herstellbarkeit führen. Dieses Kapitel schließt mit der Behandlung der DRAMs (dynamische Speicher).
Heinrich Klar, Tobias Noll
7. Arithmetische Module
Zusammenfassung
Das siebte Kapitel befasst sich mit arithmetischen Modulen. Zunächst wird die Addition und Subtraktion von Binärzahlen erläutert. Ein Schwerpunkt der Darstellung liegt auf geeigneten Baumstrukturen. Sodann werden redundante Zahlensysteme, wie Carry-Save- und Signed-Digital-Zahlen, erläutert. Daran schließt sich ein Abschnitt zu den wichtigsten Multiplizierertypen an. Das Kapitel schließt mit einer Betrachtung der quantitativen Optimierung von Rechenzeit und Verlustleistungsaufnahme.
Heinrich Klar, Tobias Noll
8. VLSI-Entwurfsmethoden
Zusammenfassung
Wenn Milliarden von Transistoren auf einem Chip integriert werden sollen, stellt sich ein Komplexitätsproblem. Es gibt mehrere Entwurfsmethoden, mit deren Hilfe das Problem gelöst werden soll. Im achten Kapitel werden diese Methoden und die dafür jeweils benötigten CAD-Werkzeuge besprochen. Im Allgemeinen unterscheidet man zwischen „Full-Custom- und „Semi-Custom-Entwurfsmethoden“. In neuerer Zeit hat sich die programmierbare Logik als weitere Alternative entwickelt. Anstatt von „Full-Custom-Entwürfen“ wird auch von der „Bottom-Up“-Entwurfsmethode gesprochen, da hier ausgehend von möglichst wenigen und einfachen Grundzellen komplexe Module zusammengestellt werden. Die Alternative hierzu ist der „Semi-Custom-Entwurf“, der auch „Top-Down-Entwurf“ genannt wird. Der Entwurfsprozess startet bei diesem Design-Stil mit einer abstrakten Spezifikation auf hoher Systemebene. Mittels einer Abfolge unterschiedlicher Entwurfsschritte, die automatisiert beziehungsweise teilautomatisiert durchgeführt werden können, gelangt man zu immer konkreteren Beschreibungen der Schaltungen, bis schließlich die technische Realisierbarkeit mit vertretbarem Aufwand gegeben ist.
Heinrich Klar, Tobias Noll
Backmatter
Metadaten
Titel
Integrierte Digitale Schaltungen
verfasst von
Heinrich Klar
Tobias Noll
Copyright-Jahr
2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-540-69017-7
Print ISBN
978-3-540-40600-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-540-69017-7

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