Γ. Τσιατούχας. VLSI systems and Computer Architecture Lab. Μικροηλεκτρονική 2

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Μικροηλεκτρονική Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας VLSI systems and Computer Architecture Lab ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση 1. Το τρανζίστορ 2. Η τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 3. Εξέλιξη της τεχνολογίας 4. Σύντομη περιγραφή μαθήματος 5. Ενότητες μαθήματος 6. Διαδικαστικά Μικροηλεκτρονική 2 1

2 Σύντομη Περιγραφή Μαθήματος Μικρή εισαγωγή στη θεωρία κυκλωμάτων. Εισαγωγή στους ενισχυτές Τελεστικοί ενισχυτές. Καθαροί ημιαγωγοί και ημιαγωγοί με προσμίξεις. Η p n επαφή Δίοδοι. Κυκλώματα διόδων. Διπολικά τρανζίστορ επαφής και τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Βασικές τοπολογίες ενισχυτών με τρανζίστορ και τρόποι λειτουργίας. Αρχές μικροηλεκτρονικής και μικροηλεκτρονικά κυκλώματα. Διαφορικοί ενισχυτές. Απόκριση συχνότητας ενισχυτών. Ηλεκτρονική Σελίδα Μαθήματος: ELEC.htm e course Μικροηλεκτρονική 3 Ενότητες του Μαθήματος Ηλεκτρονική Εισαγωγή στη θεωρία κυκλωμάτων Εισαγωγή στους ενισχυτές Τελεστικοί ενισχυτές Ημιαγωγοί Δίοδοι επαφής και διατάξεις διόδων Το τρανζίστορ φαινομένου πεδίου Το διπολικό τρανζίστορ επαφής Βασικές τοπολογίες κυκλωμάτων ενισχυτών Ο διαφορικός ενισχυτής MOS Απόκριση κατά συχνότητα ενισχυτών Μικροηλεκτρονική 4 2

3 Διαδικαστικά I Υπολογίζεται ότι θα δοθούν 3 σετ ασκήσεων (homeworks). Οι ασκήσεις/εργασίες δεν είναι υποχρεωτικές και λαμβάνονται υπόψιν αποκλειστικά για το τρέχον ακαδημαϊκό έτος. Οι ασκήσεις/εργασίες ενδεχόμενα θα συνεισφέρουν ένα 10% επιπρόσθετα στο βαθμό του μαθήματος όταν αυτός είναι μεγαλύτερος ή ίσος του πέντε και έχουν παραδοθεί όλες επιτυχώς, σε άλλη περίπτωση το ποσοστό αυτό μειώνεται ανάλογα με τις επιτυχείς απαντήσεις. Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα προφορικής εξέτασης φοιτητών για ασκήσεις που θα παραδοθούν και για τις οποίες αυτό θα κριθεί αναγκαίο. Μικροηλεκτρονική 5 Διαδικαστικά II Εργαστήριο: Σχεδίαση και SPICE προσομοίωση κυκλωμάτων. Υλοποίηση κυκλωμάτων σε breadboard και μετρήσεις. Τα εργαστήρια συνεισφέρουν κατά δύο μονάδες στον τελικό βαθμό του μαθήματος εφ' όσων έχει υπάρξει επιτυχής παρακολούθηση όλων των εργαστηριακών ασκήσεων, σε άλλη περίπτωση η συνεισφορά μειώνεται ανάλογα με την επίδοση. Οι εγγραφές στο εργαστήριο θα γίνουν στην πλατφόρμα ecourse (βλ. σχετική ανακοίνωση). Μπορεί να αιτιολογηθεί μόνο μία δικαιολογημένη απουσία η οποία θα πρέπει να αναπληρωθεί. Την εβδομάδα πριν το Πάσχα τα εργαστήρια θα γίνουν κανονικά. Μικροηλεκτρονική 6 3

4 Διαδικαστικά IIΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ 2018 ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1η ΑΣΚΗΣΗ 2η ΑΣΚΗΣΗ 3η ΑΣΚΗΣΗ 4η ΑΣΚΗΣΗ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ Α Β 27 Φεβ 13 Μαρ 27 Μαρ 24 Απρ 15 Μαϊ 29 Μαϊ Γ Δ 6 Μαρ 20 Μαρ 17 Απρ 8 Μαϊ 22 Μαϊ 29 Μαϊ ΤΜΗΜΑΤΑ Α & Β: Τρίτη 13:00 16:00 ΤΜΗΜΑΤΑ Γ & Δ: Τρίτη 17:00 20:00 Μικροηλεκτρονική 7 Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Β.25 Μικροηλεκτρονική 8 4

5 Εργαστηριακός Εξοπλισμός Μικροηλεκτρονική 9 Βιβλιογραφία (Ι) Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα Adel Sedra Kenneth Smith Εκδόσεις: Παπασωτηρίου / Oxford UniversityPress Μικροηλεκτρονική Richard C. Jaeger Travis Blalock Εκδόσεις: Τζιόλα / McGraw Hill Μικροηλεκτρονική Jacob Millman Arvin Grabel Εκδόσεις: Τζιόλα / McGraw Hill Electronics Allan R. Hambley Εκδόσεις:Prentice Hall Μικροηλεκτρονική 10 5

6 Βιβλιογραφία (ΙI) Electric Circuit Analysis D. Johnson J. Johnson J. Hilburn P. Scott Εδό Εκδόσεις: Prentice Hll Hall Ανάλυση Κυκλωμάτων και Σημάτων Giorgio Rizzoni Εκδόσεις: Παπαζήση / McGraw Hill Basic Circuit Theory Charles Desoer Ernest Kuh Εκδόσεις:McGraw Hill Μικροηλεκτρονική 11 Μαθήματα Υλικού στο Τμήμα ΜΗΥΠ Αρχιτεκτονική Υπολογιστών I Αρχιτεκτονική Υπολογιστών II Σχεδίαση Ψηφιακών Δοκιμή ή& & Αξιοπιστία Συστημάτων Ηλεκτρονικών Συστημάτων Ψηφιακή Σχεδίαση II Ψηφιακή Σχεδίαση I Τεχνικές Σχεδίασης Κυκλωμάτων CMOS Βασικές Αρχές Κυκλωμάτων Ηλεκτρονική Κυκλώματα VLSI Μικροηλεκτρονική 12 6

7 Βέλτιστη Επιλογή Παρακολούθησης Ψηφιακή Σχεδίαση I Βασικές Αρχές Κυκλωμάτων Ηλεκτρονική Προπτυχιακός Κύκλος Ψηφιακή Σχεδίαση ΙΙ Αρχιτεκτονική Υπολογιστών I Κυκλώματα VLSI Δοκιμή & Αξιοπιστία Ηλεκτρονικών Συστημάτων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών IΙ Τεχνικές Σχεδίασης Κυκλωμάτων CMOS Σχεδίαση Ψηφιακών Συστημάτων Μεταπτυχιακός Κύκλος Μικροηλεκτρονική 13 Προσανατολισμοί! Program Code Hardware Overhead Μικροηλεκτρονική 14 7

8 Και Εγέννετω Φως λυχνίες ENIAC Μικροηλεκτρονική 15 Το Τρανζίστορ! Το πρώτο τρανζίστορ MOS! Τρανζίστορ στα 180nm 2000 Bell Labs 1947 Μικροηλεκτρονική 16 8

9 Το MOS Τρανζίστορ 45nm Intel 2007 Μικροηλεκτρονική 17 Διασυνδέσεις Τρανζίστορ Μικροηλεκτρονική 18 9

10 Μια Εσωτερική Ματιά Μικροηλεκτρονική 19 Στα όρια της Τεχνολογίας Μικροηλεκτρονική 20 10

11 Μικροηλεκτρομηχανικά Συστήματα MEMS Μικροηλεκτρονική 21 Νέες Τεχνολογίες 16nm FinFET Carbon Nanotubes Μικροηλεκτρονική 22 11

12 Νέες Τεχνολογίες ITRS Roadmap Μικροηλεκτρονική 23 Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Μικροηλεκτρονική 24 12

13 Κατασκευή Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων mm Chip Wafer Die Μικροηλεκτρονική 25 Διαδικασία Σχεδίασης ΟΚ ITRS Μικροηλεκτρονική 26 13

14 Κλιμάκωση της Τεχνολογίας M6 M5 M4 Cu M3 M2 Low k M1 Tungsten Very Deep Submicron Μικροηλεκτρονική Nanometer Era 27 Εξέλιξη της Τεχνολογίας AMD Barcelona 65nm CMOS 22nm CMOS ROM Analogue DSP BIST μc? edram eflash esram RF Μικροηλεκτρονική 28 14

15 Ολοκληρωμένα Συστήματα Systems on a Chip (SoC) Μικροηλεκτρονική 29 Ολοκλήρωση Τεχνολογιών σε SoC Ολοκλήρωση τεχνολογιών στην βασική διαδικασία κατασκευής ITRS 99 Μικροηλεκτρονική 30 15

16 Θέματα στη Σχεδίαση SoC Εφαρμογών System Design Aspects Physical Design Aspects Embedded Memory crosstalk noise IP (reusable core) reusability standardization H/S codesign clock synchronization clock skew Supply Network low-power/voltage noise decoupling electromigration dc-dc conversion dual threshold triple-well SOI Supply Pads EMC noise electromigration Embedded Software H/S codesign flexibility Analog Functions analog interface substrait noise Data Storage single/multi port high h performance Glue Logic Clock Domains Global Bus protocol bandwidth signal propagation crosstalk Clock Network clock gating clock domains phase synchronisation clock skew clock tree synthesis optimal flip flops Local buses high speed I/O pads EMC bandwidth standard interfaces di/dt noise Μικροηλεκτρονική 31 Γενική Μεθοδολογία Εργασίας (I) Αρχικό Κύκλωμα (Ζητούμενα I C, V CE ) Μετασχηματισμός με χρήση Ισοδύναμου Κυκλώματος (Mοντέλο) Β C B C npn Ι C Ι Β + V BE =0.7V I C =βι Β Ι C Ι Β ΙΕ E R C =1KΩ R Β =270KΩ Ι Ε Ε R C =1KΩ R Β =270KΩ + R E =1KΩ V ΕΕ =10V R E =1KΩ E + V ΕΕ =10V Μοντέλο Κοινού Εκπομπού Ενεργού Περιοχής Μικροηλεκτρονική 32 16

17 Γενική Μεθοδολογία Εργασίας (II) Εφαρμογή Κανόνων Kirchhoff KVL I B R B + V BE +I E R E V EE = 0 Β C KCL I E (I B + Ι C ) = 0 Ι Β + V BE =0.7V I C =βι Β Ι C VEE VBE IB R (1 β)r B E mA Ι Ε R Β =270KΩ R E =1KΩ E + Ε R C =1KΩ V ΕΕ =10V Μοντέλο Κοινού Εκπομπού Ενεργού Περιοχής I C = βi Β = 2.51mA (β=100) KVL I C R C + V CE +I E R E V EE = 0 V CE V EE 1 β βib RC RE 4.96V β end Μικροηλεκτρονική 33 Ο Διαβολάκος του Maxwell! Πληροφορία Αντεντροπία 1 bit Joule/ o K Μικροηλεκτρονική 34 17