Tek bir AND geçidi neden 60 transistöre ihtiyaç duyuyor?

24

Baktığımızda MC74VHC1G08 veri sayfasındaki altında özellikler bölümünde, bu devletler Chip Complexity: FETs = 62.

Bu IC neden 62 transistöre ihtiyaç duyuyor, bir AND geçidi sadece 6 transistörle yapılabilirken neden?
Diğer 56 transistör ne için kullanılıyor? Tahminim bir çeşit koruma devresi olurdu, ama emin değilim.

— eeze
kaynak

8

İki transistörlü bir CMOS AND geçidini nasıl yapabilirsiniz? En az altıya ihtiyacım var ve büyük bir talaşsız yükleme yapmak için çıktıyı tamponlamak için daha fazla gruba ihtiyacım var.

— Elliot Alderson

1

Aslında 62 transistörü var mı, yoksa ON'un boyutlandırmayı hesaplamak için bir formülü var mı (eski günlerdeki "vergi beygir gücü" gibi, sadece diğer yönde)? Tüm transistörler bağımsız mı, yoksa çıkış için çıkışta bir sürü paralel transistör var mı?

— TimWescott

4

Kelimenin tam anlamıyla 62 transistör olmayabilir; bu, bir tür güvenilirlik tahmin edici ortama takılı olan "normalleştirilmiş" bir sayı olabilir. Bununla birlikte, veri sayfasında bir çıktı tamponu da dahil olmak üzere "çoklu aşamalar" olduğu söylenir. Ve evet, giriş koruması da transistör sayısına doğru sayılır.

— Dave Tweed

Haklısın @ElliotAlderson - yani 6 demeliyim değil 2.

— eeze

4

@Platytude Nedenini tam olarak anlamış gibi davranmıyorum, ancak CMOS'ta diyotların bazen FET'ler kullanılarak uygulandığını duydum. Belki FET'ler ile mümkün olan her şeyi yapmak üretim sürecini kolaylaştırır ya da bir şey yapar.

— Şubat'ta mbrig

33

Bu IC'de minimum 6 MOSFET'in (bir NAND + 2 için 4 invertör) daha fazla kullanılmasının birkaç nedeni olabilir:

Veri sayfasında belirtildiği gibi:

İç devre, yüksek gürültü bağışıklığı ve kararlı çıktı sağlayan bir tampon çıkışı da dahil olmak üzere birçok aşamadan oluşur.

Çıktı oldukça büyük (minimum boyutta olmayan) transistörler kullanılarak yapılacaktır. Her zaman "katlanmış" vardır, yani çoklu transistörler, drenaj ve kaynak difüzyon alanlarının iki transistör arasında paylaşıldığı büyük bir taneye birleştirilir. Bu büyük bir transistör gibi davranır, ancak daha yüksek bir transistör sayımı istiyorsanız, bu kadar sayılabilir.
Modern CMOS işlemlerinde üretilen IC giriş ve çıkışlarındaki ESD koruması genellikle daha geleneksel diyotlar yerine "topraklı MOSFET'ler" kullanır.
Besleme pimleri arasında bir "ESD kelepçe" devresi gereklidir, böyle bir devre birkaç transistörden oluşur.
Dijital devreler (bunun gibi VE geçitleri) çoğu zaman yonga kaynağı ayrılmasına ihtiyaç duyarlar. Bunlara "decap hücreleri" denir. Bunlar, besleme rayları arasındaki kapasitörlerdir. Bu kapasitörler çoğunlukla Transistörlerin Geçit-Boşaltma / Kaynak kapasitansı kullanılarak yapılır.
CMOS işlemlerinde MOSFET'ler en "temel" bileşenlerdir, aynı zamanda en kontrollü bileşenlerdir ve en esnek bileşenlerdir, bu yüzden IC tasarımcıları mümkün olduğunda bir MOSFET kullanmayı tercih ederler.

Hepsi bir arada, AND geçidi gibi görünüşte basit bir işlem yapmak için 62 transistöre ihtiyaç duymak "oldukça kolaydır". Bunun sebebi, bu IC'nin basit bir AND geçidinden "biraz daha" olmasıdır. İşlemciler, mikrodenetleyiciler vb. Gibi daha karmaşık devrelerde bulunan AND geçitleri genellikle sadece 6 transistör kullanacaktır. Ancak bunlar "tek başına" değildir ve bu IC gibi kapılar.

— Bimpelrekkie
kaynak

Paralel olarak birden çok küçük olanları kullanmak yerine kalıp üzerinde daha büyük bir transistör bulunmamasının bir nedeni var mı?

— DKNguyen

2

@Tamam Evet, transistörün boyutu. Diyelim ki W / L'ye 1000um / 0.13um'a ihtiyacım var. Bu çok geniş (1mm) fakat çok ince (0.0005 mm'den az) bir transistör anlamına gelir ve bu da çip için kullanılamaz büyüklükte olur. Tercih edilen şey neredeyse kare bir çiptir (ancak bir dikdörtgen de tamamdır). Biz Yani kat 50um / 0.13um örneğin 20 küçük olanları içine o transistör ve dikdörtgen şeklin altında birleştirir. Burada nasıl göründüğüne bir bakın: zeptobars.com/en/read/…

— Bimpelrekkie

1

Bu LDO'nun "katlanmış" çıktı transistörü, resmin sağ üst kısmındaki bu iki "damla" arasındaki yapıdır (bunlar birleştirme pedleridir). Bu bir LDO olmasına rağmen, büyük MOSFET'lerin gerekli olduğu tüm IC'lerde benzer gözükecektir.

— Bimpelrekkie

2

Ah, öyleyse, transistörü "gofrette bulunan tüm fırınlara ve kızılcıklara" dökün ". Birkaç büyük kaya ve boşlukla doldurmak yerine bir kavanozun içine kum dökmek gibi.

— DKNguyen

@Sorun Doğru, kum dökmek kadar basit değil ama fikir aslında aynı, çok uzun ve dar tek bir transistörle verimli bir şekilde doldurması gereken (rastgele aralıklı) küçük birimlerle doldurulması çok daha kolay.

— Bimpelrekkie

8

ON Yarı İletken MC74VHC1GT00'den - Tek 2 Girişli NAND Kapısı Ürün Kılavuzu:

İç devre, yüksek gürültü bağışıklığı ve kararlı çıktı sağlayan bir tampon çıkışı da dahil olmak üzere birçok aşamadan oluşur.

MC74VHC1G00 giriş yapısı, besleme voltajından bağımsız olarak 7 V'a kadar voltaj uygulandığında koruma sağlar. Bu, MC74VHC1G00'ün 5 V'luk devreleri 3 V'luk devrelere bağlamak için kullanılmasını sağlar.

Talaş Karmaşıklığı: FET = 56

Girişlerde Sağlanan Güç Azaltma Koruması

Dengeli Yayılma Gecikmeleri

ON Semiconductor'dan MC74VHC1GT00 - Tek 2 Girişli NAND Gate veri sayfası.

Giriş yapıları, besleme voltajından bağımsız olarak 5,5 V'a kadar voltaj uygulandığında koruma sağlar. Bu, cihazın 5 V'luk devreleri 3 V'luk devrelere arayüz olarak kullanmasını sağlar. Çıkış yapıları ayrıca = 0 V olduğunda ve çıkış gerilimi değerini aştığında da koruma sağlar . Bu giriş ve çıkış yapıları, besleme voltajı - giriş / çıkış voltajı uyumsuzluğu, pil yedekleme, sıcak ekleme vb. Nedeniyle cihazın bozulmasını önlemeye yardımcı olur. $V_{CC}$ $V_{CC}$

$I_{OFF}$ Kısmi Güç Azaltma Korumasını Destekler

ESD Dayanım Gerilimi> 2000V

Girdi, mantık ve çıktı olmak üzere en az üç aşamamız var.

Bir NAND ve bir NOT'dan oluşturulabilen MC74VHC1G08 VE geçit, 62 FET alır. MC74VHC1GT00 NAND 56'ye sahiptir. Aynı aile, bu yüzden bir invertör uygulamak için yaklaşık 6 FET. Bu, MC74VHC1G00'ün yaklaşık 9 kapı işlevselliğine ve MC74VHC1G08 10 kapıya sahip olacağı anlamına gelir.

OP'nin sorusunun temeli bir AND mantığı 6 geçitten uygulanabilir, ancak bir MC74VHC1G08'deki bir NOT en az 6 FET olmalıdır.

Tüm ekstra korumaları sağlamak için yaklaşık 48 FET bırakacak olan mantığı uygulamak için 8 + 6 deyin.

ESD koruması sağlamak için 5/6 FET / giriş sanırım = 36 FET.

Diğer tüm korumaları sağlamak için geri kalanı. Bu açıkça basit bir AND kapısı değildir.

— StainlessSteelRat
kaynak

3

Bir paralel MOSFET'te kaç paralel küçük MOSFET vardır? Binlerce? Bu küçük geçit oldukça yüksek bir çıkış akımına sahip, bu yüzden bunu yapmak için 62 minik MOSFET'e ihtiyacı var.

Benim iki kuruş tahmin etmeye değer.

— AudioGuru
kaynak

2

Bir MOSFET'in kapısı ne kadar sert açılırsa, MOSFET'in daha sonra kapanması o kadar uzun sürer. Aşırı kapı voltajını sınırlandırmak için devre ekleyerek performans arttırılabilir, bununla birlikte sakin güç dağılımını arttırmadan bunu yapmak zordur.

Aşırı doygunluğu önlemek için CMOS'ta hangi tekniklerin kullanıldığını bilmiyorum, ancak bipolar eklem transistörlerine dayanan düşük güçlü Schottky cihazları yararlı bir analog sağlayabilir. Aşağıda gösterilen iki basit invertörü düşünün:

şematik

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Soldaki invertör, sağdakidekinden daha basittir, ancak simülasyonu çalıştırırsa diyot eklenmesi sağdaki devrenin soldakiden çok daha hızlı bir şekilde kapanmasına izin verir.

Aşağıdaki BJT-tabanlı invertörlerde, Schottky diyot R3'deki güç tüketimini hafifçe arttıracak, ancak bu artış genel güç tüketimine kıyasla küçük olacak. Bir CMOS cihazında, geçit voltajını basitçe sıkıştırmak, güç dağılımını artıracak, diğer, daha karmaşık yaklaşımların kullanılmasını gerekli kılacaktır.

— SuperCat
kaynak

MOS'u şarjı yavaşlatan davranışsal davranış sorunları olduğunu hatırlamıyorum.

— analogsystemsrf

Küçük MOSFET'ler için, önyargılara ek devre eklenmesi en iyi ihtimalle muhtemelen işe yaramaz, ancak büyük MOSFET'ler en azından kapı kapasitansına sahip olacak ve sanırım bunların ötesinde başka tasarım sorunları var, tam olarak ne olduklarını bilmiyorum. . İki büyük transistörlü bir invertörü besleyen dört transistörlü NAND geçitinin kullanılması (veya iki büyük paralel transistör grubunu bile), geçit voltajlarının daha iyi kontrol edilmesiyle elde edilebileceği gibi iyi bir performans vermeyecektir.

— supercat

1

Belki üzerinde kalıpta dört tane AND geçit vardır, çünkü bu MC74VHC08 çipiyle aynı fiziksel kalıbı kullanıyor , sadece kapılardan birini bağlıyor .

Silikondaki 17 ile 62 transistör arasındaki maliyet temelde sıfır olduğunda, neden ayrı bir kalıp tasarlama, test etme ve destekleme maliyetine neden katlandı?

Bu güç kaynağını korumak için 2 veya 6 transistör ve AND başına 14 veya 15 transistör ekleyecektir. O kadar mantıksız değil.

— Harper - Monica'yı yeniden yerleştirin
kaynak

Bunu da merak ettim - çoğu güç tüketimi dinamik olacağından çılgın bir fikir değil bu yüzden kullanılmayan kapılara itiraz etmek zor olacak. Bununla birlikte, dört bölümün veri sayfasına olan bağlantınız "Chip Karmaşıklığı: 24 FET veya 6 Eşdeğer Kapı" - yani daha basit .

— Chris Stratton