enradiogenootschap nederlandselektronica- tijdschrift van het

.

tijdschrift van het

nederlands

elektronica-

en radiogenootschap

*

nederlands elektronica-

en rad ioge nootschap

Nederlands Electronica- en Radiogenootschap

Postbus 39, Leidschendam. Gironummer 94746 t.n.v.

Penningmeester NERG, Leidschendam.

HET GENOOTSCHAP

Het Genootschap stelt zich ten doel in Nederland en de Overzeese Rijksdelen de wetenschappelijke ontwikkeling en de toepassing van de elektronica en de radio in de ruimste zin te bevorderen.

Bestuur

Prof. Dr. Ir. J. Davidse, voorzitter Prof. Dr. H. Groendijk, vice-voorzitter Prof. Ir. C. van Schooneveld, secretaris Ir. L.R. Bourgonjon, penningmeester

Prof. Ir. E. Goldbohm Dr. Ir. J.B.H. Peek Dr. Ir. W. Herstel

Prof. Ir. C. Rodenburg Ing. J.W.A. van der Scheer Lidmaatschap

Voor lidmaatschap wende men zich tot de secretaris.

Het lidmaatschap staat -behoudens ballotage- open voor academisch gegradueerden en hen, wier kennis of ervaring naar het oordeel van het bestuur een vruchtbaar lidmaat­

schap mogelijk maakt.

Studenten aan universiteiten en hogescholen komen bij gevorderde studie in aanmerking voor een junior-

lidmaatschap, waarbij 50% reductie wordt verleend op de contributie. Op aanvraag kan deze reductie ook aan

anderen worden verleend.

HET TIJDSCHRIFT

Het tijdschrift verschijnt zesmaal per jaar. Opgenomen worden artikelen op het gebied van de elektronica en van

de telecommunicatie.

Auteurs die publicatie van hun wetenschappelijk werk in het tijdschrift wensen, wordt verzocht in een vroeg stadium kontakt op te nemen met de voorzitter van de redactie commissie.

De teksten moeten, getypt op door de redactie ver­

strekte tekstbladen, geheel persklaar voor de offsetdruk worden ingezonden.

Toestemming tot overnemen van artikelen of delen daarvan kan uitsluitend worden gegeven door de redactie­

commissie. Alle rechten worden voorbehouden.

De abonnementsprijs van het tijdschrift bedraagt / 40,— . Aan leden wordt het tijdschrift kosteloos toe­

gestuurd.

Tarieven en verdere inlichtingen over advertenties worden op aanvrage verstrekt door de voorzitter van de redactiecommissie.

Redactiecommissie

Ir. M. Steffelaar, voorzitter Ir. L.D.J. Eggermont

Ir. A. da Silva Curiel.

DE EXAMENS'

De examens door het Genootschap ingesteld en afgenomen zijn:

a. op lager technisch niveau: "Elektronica monteur NERG"

b. op middelbaar technisch niveau:"Middelbaar Elektronica Technicus NERG"

c. voor het oude examen "Elektronica Technicus NERG"

kan volgens de beeindigingsregeling nog slechts tot en met 1975 worden ingeschreven.

Brochures waarin de exameneisen en het examenre­

glement zijn opgenomen kunnen schriftelijk worden aan­

gevraagd bij de Administratie van de Examencommissie.

Voor deelname en inlichtingen wende men zich tot de Administratie van de Examencommissie NERG, Gene- muidenstraat 279, den Haag, gironummer 6322 te den Haag.

Examencommissie

Ir. J.H. Geels, voorzitter

UITREIKING VEDERPRIJS 1974

De Vederprijs 1974 is toegekend aan Ir. B.G.Hooghoudt.

De feestelijke uitreiking door Mevr. C.E. van

Hoboken-Veder vond plaats op 30 september 1975 geduren­

de een gecombineerde vergadering van het Nederlands Elektronica- en Radiogenootschap en de Benelux section IEEE in de middenzaal van de Rai te Amsterdam.

Hierna volgen de toespraken van Mevr. van Hoboken- Veder en Prof.ir. B. van Dijl.

Geachte toehoorders,

In het bijzonder richt ik mij tot U; professor Davidse als voorzitter van het Nederlands Elektronica en Radio Genootschap,

en tot U: Ir. Valstar als voorzitter van het I triple E Benelux section,

Namens het bestuur van het Wetenschappelijk Radio- fonds Veder dank ik U voor de gastvrijheid, die U onze stichting biedt om in Uw midden de "Vederprijs" te mo­

gen uitreiken.

Ik moge evenals ik andere jaren deed, even memore­

ren. Het Vederfonds werd in 1928 gesticht door de kort daarna overleden Anthonie Veder, radio-amateur van de eerste jaren te Rotterdam. Het toekennen aan nederlan- ders van geboorte van, aanvankelijk alleen een geld­

prijs , maar later tesamen met een medaille, is één der doelstellingen der stichting. En wel, en ik citeer nu uit de statuten:"voor een uitvinding of werkwijze op het gebied van radiotelegrafie, radiotelefonie, radiotele- visie en al zodanige wetenschappen en technieken, welke

in de toekomst uit of naast deze bovengenoemde weten­

schappen of technieken mochten voorkomen of ontstaan, alles in de ruimste zin".

Een gevoel van trots op mijn landgenoten vervult mij iedere keer weer, wanneer ik de lijst doorlees met

de namen van bekroonden in het tijdperk van nu bijna 50 jaar en van hun tot deze bekroning geleide arbeid.

Dit is chauvinistisch en niets van deze tijd, waarin wij proberen internationaal te denken. Toegegeven. En daarom is het des te meer verheugend, dat deze arbeid, zowel die op zuiver wetenschappelijk gebied als die in toepassing daarmee, over onze landsgrenzen, door hen, die tot oordelen bevoegd zijn, uitermate gewaardeerd en geprezen wordt.

Ir. Hooghoudt. Op mijn boekenkast prijkt een kleu­

renfoto van de 12 gigantische reflectorantennes in Wes- terbork, die door U, o.a. ontworpen zijn en gebouwd.

Dat deze gevaarten zo exact kunnen worden ingesteld en niet verzakken of scheefwaaien, is voor mij "wonder­

baarlijk" en ik overhandig U gaarne de gouden medaille met bijbehorende geldprijs van het Wetenschappelijk Radiofonds Veder, op grond van:"Uw belangrijke bijdrage op het gebied van het ontwerp en de realisatie van gro­

te reflector-antennes voor radiosterrenkunde en voor satelliet-communicatie.

OVERWEGINGEN N.A.V. DE TOEKENNING VAN DE VEDER-PRIJS 1974 AAN IR. B. G. HOOGHOUDT.

Het is een voor mij prettige samenloop van omstandighe­

den dat ik degene ben die de overwegingen mag toelichten die het bestuur van de Stichting van het Wetenschappe­

lijk Radio-fonds Veder ertoe brachten jou de prijs voor 1974 toe te kennen. Ik vind dit daarom prettig omdat on­

ze kennismaking - nu intussen ca. 25 jaar geleden - sa­

menviel met het moment dat je met het werk begon dat uit­

eindelijk geleid heeft tot deze erkenning. Ik heb het werk dat je in die tijd deed, zij het op enige afstand met bewondering kunnen volgen. Ik heb het altijd gezien als bi-diciplinair werk dat in jouw geval door êén man werd verricht.

Bi-disciplinair werk, want we zien hier een natuurkun­

dig ingenieur bezig die voldoende inzicht heeft in de elektromagnetische problemen die zich voordoen bij het ontwerpen van antennes, met reflectoren van b.v. 25 m diameter, die optimale ontvang-kondities moeten geven wanneer ze gericht worden op de koude interstallaire ruimte. Deze zelfde man heeft blijkbaar ook voldoende werktuigbouwkundig inzicht om de mechanische en con­

structieve problemen aan te kunnen die de constructeur ontmoet wanneer dergelijke grote paraboloidale opper­

vlakken in alle standen, hun vorm tot millimeters heb­

ben te behouden. Wonderlijk is daarbij dat hij zo veel zakelijk inzicht heeft dat de aktiviteiten uitgeleefd konden worden in een één-manszaak: daarom zou er gespro­

ken kunnen worden van tri-disciplinaire talenten.

Jij hebt je werk mogen verrichten in een milieu dat de bewondering heeft geoogst tot ver over onze gren­

zen. In deze omgeving, heb je je blijkbaar op uitsteken de wijze kunnen handhaven: uit de kring kwam de sugges­

tie voor hetgeen nu staat te gebeuren.

Ik wilde voor de toelichting op je werk de radio- astronomie, en daarvan de Synthese-radio-telescoop - de SRT - centraal stellen hoewel ik mij ervan bewust ben dat er een aantal van je aktiviteiten buiten dit ge­

bied vallen, b.v. de radio-communicatie-techniek.

Overigens uit dié techniek stamt de radio astrono­

mie: het was de communicatie-ingenieur van de Bell-Labo- ratoria, Jansky, die in 1931 voor zijn firma een onder­

zoek deed naar radio-storing en daarbij een componente ontdekte met een periodiciteit van een sterre-dag. Zijn conclusie dat de stoorbron niet alleen buitenaards was, doch ook buiten ons zonnestelsel moest liggen, is nooit

in twijfel getrokken en heeft, zoals wij nu allen weten, aanleiding gegeven tot een onvoorziene nieuwe tak van de astronomie. Zijn chefs vonden het indertijd beter dat hij na deze vaststelling maar weer aan zijn gewone werk ging. Hierdoor bleef het op gang komen van de radio- astronomie eigenlijk liggen tot na de oorlog. Slechts een amateur, Grote Reber, deed daarvoor nog opmerkelijk werk.

Zoals Oort stelde heeft het onderzoek, van de struktuur van ons melkwegstelsel, steeds een grote

plaats bij de nederlandse astronomen ingenomen. Het was daarom voor de hand liggend, dat de fantastische moge­

lijkheden die radiogolven bleken te bieden in het door­

dringen van het stof in de gallactische schijf, de ne­

derlandse astronomen aanspraken. Een nog sterkere drijf­

veer voor het bezit van een zeer gevoelig instrument met een zeer groot oplossend vermogen, vormden de grote ver­

wachtingen welke waarnemingen van de extra gallactische ruis hadden gewekt in verband met de studie van de struk-

tuur en de evolutie van het heelal.

Het zou te ver voeren de geschiedenis van het ont­

werp van de "Synthese Radio-telescoop", die uit het voorgaande resulteerde, thans te volgen: trouwens in

die fase waren vnl. de astronomen aan het woord. In 1965 was besloten een eenvoudig stelsel van antennes in Wes-

terbork te bouwen: 12 antennes met paraboloidale reflec­

toren met 25 m diameter, op een oost-west lijn, waarvan er twee verrijdbaar waren op rails. De outputs van de antennes zouden zo gesynthetiseerd worden dat het stel­

sel een effekt had van één antenne met afmetingen in twee loodrecht op elkaar staande richtingen, van ca.

1.5 km. De tweede dimensie wordt hierbij ontleend aan de draaiing van de aarde.

In deze fase van het werk was je al lang geen onbe­

kende meer in de wereld van de astronomen: je begeleid­

de immers de constructie van de eerste grote, 25 m, te­

lescoop welke in 1956 als grootste ter wereld in bedrijf werd gesteld. Van dit type werden er twee naar Engeland

verkocht, een land overigens waar de techniek van de radio-telescopen vergevorderd was en de concurentie sterk. Als nevenprodukt van je aktiviteit in die dagen mag beschouwd worden de constructie van coordinaten-

transformator, eigenlijk een verbetering van een Ame­

rikaanse versie, welke astronomische coördinaten (uur­

hoek en declinatie) transformeert naar aardse (azimuth en elevatie).

Door deze aktiviteiten had je je zodanig tot vakman ontwikkeld dat je voor het Synthese-radio-telescoop projekt als ontwerper van de antennes en wat daarbij behoort, om vermogen aan ontvangers af te leveren, kon optreden; je was voorts degene die de bestekken opmaakte en de begroting opstelde: kortom je was de architekt van de antennes van een van de meest krachtige van de huidige generatie van radio-telescopen in de gehele we­

reld.

Het dynamische bereik van de telescoop, dat de zwak ste bron bepaalt die in de omgeving van een sterke bron in kaart gebracht kan worden, hangt kritisch af van de mate waarin de sterke bron van de kaart kan worden afge­

trokken. Dit wordt in hoofdzaak bepaald door de stabili­

teit in amplitude en faze van de telescoop. Een stabi­

liteit van +_ 1% in amplitude en +_ 1° in faze, over een periode van 12 uur, werd naar aanleiding hiervan gespe­

cificeerd .

Deze eis, vertaald naar de eisen van de antennes resulteerde erin dat alle essentiële elementen van de, 25 m, antennes hetzelfde moesten zijn tot op 1 mm; het reflector oppervlak moest een nauwkeurigheid hebben bin­

nen + 3 mm piek afwijking. De 10 vaste antennes dienden op de oost-wets lijn tot op 1 mm nauwkeurig, op 144 m van elkaar, te worden opgesteld. Van de railbaan, ter lengte van 300 m, voor de twee verplaatsbare antennes, werd een nauwkeurigheid geeist van 0.5 mm piek afwijking

Behalve met antennes voor de radio-astronomie

hield jij je bezig met optische telescopen en met anten­

nes voor de telecommunicatie met hun eigen specifieke eisen: jij verzorgde de architectuur voor de grote (28ip) PTT antenne te Burum voor het satelliet-telefoon ver­

keer en voor een kleinere PTT-antenne in Nederhorst den Berg.

Maar, zoals ik zei, jouw werk voor de radio astro­

nomen zou het centrale thema vormen. Sinds de Westerbork telescoop in 1970 in bedrijf gesteld is heeft men er een aantal merkwaardige radio-melkweg stelsels mee ontdekt en onderzocht. Sommige zijn enorme dubbele radio-bronnen

Het ontstaan en vrijkomen van de enorme hoeveelhe­

den radio-energie, ik citeer hier een artikel van Oort e.a. in het augustus nr. van dit jaar, van de "Scienti- fic American", behoort tot de meest intrigerende pro­

blemen voor de astronomen van vandaag. Het was van het begin af duidelijk dat dergelijke radiobronnen konden

leiden tot waarnemingen aan verschijnselen orden van grootte verder weg gelegen dan die welke met optische telescopen waargenomen kunnen worden. In slechts een korte spanne tijd is de radio-astronomie geworden tot waarschijnlijk het meest belangrijke instrument voor

de cosmologie.

Wanneer sociologen even nauwkeurige meetinstrumen­

ten zouden kunnen ontwikkelen als jij deed voor het uit­

richten van de spoorbaan ten behoeve van de verplaats­

bare antennes, dan zou het zeker niet moeilijk zijn vast te stellen hoe groot jouw invloed is geweest op de bo­

vengeschetste resultaten en op het aanzien van de ne- derlandse astronomen.

Het is op grond van deze overwegingen dat door hen gesuggereerd werd jou de Vederprijs voor 1974 toe te kennen waarvoor ik de samenvatting als volgt zou willen formuleren.

"Wegens uitmuntend ingenieurs werk op het gebied van de werktuigbouwkunde, de elektrotechniek en de physica dat

onder andere geleid heeft tot de realisering van de radio-synthese telescoop te Westerbork, een instrument dat tot belangrijke nieuwe wetenschappelijke inzichten

leidde in de struktuur en de evolutie van het heelal"

Wij weten hoe groot de invloed van het werk van Coperni- cus en Kepler is geweest op het denken in de tijd die volgde. Het zou wel eens kunnen zijn dat de gevolgen van het werk dat met jouw instrumenten verricht wordt, op het denken van de komende generaties even belangrijk zijn.

B .van Dij 1.

i

2

^l e n z i j n t o e p a s s i n g i n e e n d i g i t a l e d a t a z e n d e r

H.A. van E s s e n

P h ilips R e s e a r c h L a b o r a t o r i e s E i n d h o v e n ,The N e t h e r l a n d s

A f t e r an i n t r o d u c t i o n about LSI te c h n i q u e s a recent development, I n t e g r a t e d I n j e c t i o n Logic, is d i s c u s s e d w i t h examples of some simple circuits.

A s i m p l i f i e d theory on d i g ital t r a n s v e r s a l filters is g i v e n after w h i c h an a p p l i c a t i o n in a v e r s a t i l e d i gital d ata t r a n s m i t t e r is presented.

I N L E I D I N G

Op vele g e b i e d e n w aar v a n o u d s van analoge b o u w e l e m e n t e n g e b r u i k w e r d gemaakt, w o r d e n d i g i t a l e t e c h n i e k e n in t o e n e m e n d e mate t o e g e ­ past. Een va n deze g e b i e d e n is dat van de

d a t a - t r a n s m i s s i e , w a a r e l e m e n t e n zoals filters en m o d u l a t o r e n met v o o r d e e l geheel d i g i t a a l k u n n e n w o r d e n uitgevoerd. Dit v e r e i s t het g e b r u i k van een t e c h n i e k w a a r m e e grote a a n ­

tall e n logische p o o r t e n op één chip k u n n e n w o r d e n g e ï n t e g r e e r d tot k o m p l e t e f u n k t i o n e l e eenheden. Na een lange periode, w a a r i n deze l a r g e - s c a l e i n t é g r a t i o n u i t s l u i t e n d met MOS- s c h a k e l i n g e n p r a k t i s c h v e r w e z e n l i j k b a a r leek, is er t e g e n w o o r d i g een sterk g r o e i e n d e b e ­

l a n g s t e l l i n g voor b i p o l a i r e technieken, g e ­ s t i m u l e e r d door de o p m e r k e l i j k e e i g e n s c h a p ­ pen van een n i e u w e b i p o l a i r e schakeltechniek, I n t e g r a t e d I n j e c t i o n Logic of I L.2

W a a r o m LSI ?

Het is n u t t i g ons eerst te r e a l i s e r e n w a a r o m het zo b e l a n g r i j k is om zoveel p o o r t e n op een chip te k u n n e n maken.

In de eerste pla a t s wordt d a a r m e e de

b e t r o u w b a a r h e i d va n o m v a n g r i j k e e l e k t r o n i s c h e s y s t e m e n vergroot. In deze sys t e m e n wordt de kans op s t o r i n g e n in grote mate door de

v e r b i n d i n g e n tussen de k o m p o n e n t e n b e p a a l d en juist deze v e r b i n d i n g e n zijn b i n n e n een g e ï n ­ tegr e e r d e s c h a k e l i n g van een u i t z o n d e r l i j k goede kwaliteit. Ook het feit dat de prijs van een g e ï n t e g r e e r d e s c h a k e l i n g n a u w e l i j k s h o g e r wordt als er wat m e e r p o o r t e n g ebruikt w o r d e n k a n een w e z e n l i j k e b i j d r a g e l e veren tot een bet e r e k w a l i t e i t omdat de o n t w e r p e r van zo'n s y s t e e m veel m a k k e l i j k e r dan v o o r h e e n

k a n b e s l u i t e n om voor een funktie de meest v e i l i g e en o p timale o p l o s s i n g te gebruiken.

In de tweede plaats zien we dat de prijs van deze s y s t e m e n lager wordt n a a r m a t e de b o u w ­

stenen k o m p l e x e r en d a a r d o o r g e r i n g e r in aantal zijn. We h o e v e n slechts te d e n k e n aan a l lerlei k o n s u m e n t e n - a r t i k e l e n zoals de zakrekenmachine, die in enkele jaren tijd een o n g e l o o f l i j k e

p r i j s d a l i n g heeft laten zien.

B o v e n d i e n k a n de m i n i a t u r i s a t i e , die door LSI m o g e l i j k wordt, n i e u w e t o e p a s s i n g s g e b i e d e n ontsluiten. Een d u i d e l i j k v o o r b e e l d h i e r v a n is het e l e k t r o n i s c h e horloge, w a a r v a n in de nabije

toekomst een enorme opmars wordt verwacht.

Hoe m a k e n we LSI ?

Een bouwsteen, die we v o o r LSI w i l l e n g e b r u i ­ ken, moet aan enkele v o o r w a a r d e n voldoen.

De b o u w s t e e n moet g e r i n g e a f m e t i n g e n hebben. Dit is d u i d e l i j k als we b e d e n k e n dat

de f a b r i k a g e - o p b r e n g s t van een IC, en d a a rmee zijn prijs, d r a s t i s c h wordt b e ï n v l o e d door zijl o p p e r v l a k t e .

V e r v o l g e n s moet het u i t e i n d e l i j k e IC niet teveel dissiperen, wat inhoudt dat de b o u w ­

steen een m i n i m a a l v e r m o g e n moet o p n e m e n bij een r e d e l i j k e snelheid. Een maat v o o r deze e i g e n s c h a p is het T D -pr o d u c t : het product va n p r o p a g a t i e t i j d en dissipatie.

T e n s l o t t e moet hij e e n v o u d i g te m a k e n zijn, omdat anders de o p b r e n g s t te laag wordt.

I N T E G R A T E D I N J E C T I O N LOGIC

Tot v o o r kort v o l d e d e n f e i t e l i j k a l l e e n MOS- s c h a k e l i n g e n in m i n d e r e of m e e r d e r e m ate aan de b o v e n g e n o e m d e eisen. In 1972 echt e r v e r s c h e ­ ne n twee p u b l i k a t i e s over I n t e g r a t e d Injecticn

Logic, een nie u w e b i p o l a i r e bouwsteen, die

s u p e r i e u r was aan de g e b r u i k e l i j k e M O S - s c h a k e - lingen als we letten op alle drie gen o e m d e

eisen. ,

2

_]

In deze bouwsteen, w a a r v a n de s c h a k e l i n g in f i g u u r 1 is weergegeven, is het meest

o p v a l l e n d e dat weerstanden, die in een IC alti j d veel ruimte vergen, geh e e l ontbreken.

+

Fig. 1. Sch e m a van een I*~L poort.

De s t r o o m v e r z o r g i n g en b e l a s t i n g vindt pla a t s door een e e n v o u d i g e stroombron, g e v o r m d door een P N P - t r a n s i s t o r . De f e i t e l i j k e logische o p e r a t i e wordt v e r z o r g d door een N P N - t r a n s i s - tor met m e e r d e r e collectors. Deze fungeert als i n v e r t e r en het d o o r v e r b i n d e n van c o l l e c ­ tors v a n v e r s c h i l l e n d e t r a n s i s t o r s maakt l o g i ­ sche f u n k t i e s mogelijk, zoals we later zul l e n z i e n .

F a b r i k a g e va n I L2

F i g u u r 2 laat een d w a r s d o o r s n e d e en een boven- a a n z i c h t zien van een I L poort. Er wordt

2

u i t g e g a a n van een p l a k N + g e d o t e e r d s i l i c i u m met o p g e g r o e i d e e p i t a x i a l e N-laag. Eerst w o r ­ den de b e g r e n z i n g e n van de t o e k o m s t i g e NPN- t r a n s i s t o r s v a s t g e l e g d door een diepe N + diffusie. D a a r n a w o r d e n P - g e b i e d e n g e d i f f u n ­ d e e r d die later de e m i tter va n de P N P - t r a n s i s - tor of de basis van de NPN-transistor zullen \prmen.

N +

Fig. 2. D o o r s n e d e en b o v e n a a n z i c h t van twee I L poorten.

In de b a s i s g e b i e d e n w o r d e n o n diepe N + g e b i e d e n g e d i f f u n d e e r d die de c o l l e c t o r s van de s c h a ­ kel t r a n s i s t o r zullen vormen. In de o x y d e l a a g w o r d e n v e r v o l g e n s k o n t a k t g a t e n aangebracht, w a a r n a het a l u m i n i u m b e d r a d i n g s p a t r o o n wordt g e m a a k t.

De N P N - t r a n s i s t o r s w o r d e n invers gebruikt, dat wil zeggen dat de ondiepe N + gebieden, die in een k o n v e n t i o n e l e t r a n s i s t o r als emitter fungeren, nu als c o l l e c t o r geb r u i k t w o r d e n w a a r d o o r de s t r o o m v e r s t e r k i n g va n deze t r a n ­

sistors t a m e l i j k k l e i n wordt. De diepe N + d i f ­ fusie, die als een b a r r i è r e tussen de p o o r t e n wordt aangebracht, moet nu v o o r k o m e n dat ga t e n in de basis van een g e l e i d e n d e N P N - t r a n s i s t o r d oor het b a s i s g e b i e d van een n a a s t l i g g e n d e

g e s p e r d e t r a n s i s t o r w o r d e n weggezogen, w a a r d o o r de s t r o o m v e r s t e r k i n g o n a a n v a a r d b a a r k l e i n zou k u n n e n worden.

Ee n zeer k o m p a k t e en e e n v o u d i g e k o n s t r u k - tie wordt v e r k r e g e n d o o rdat er in het geheel g een w e e r s t a n d e n w o r d e n t oegepast en d o o rdat de s c h a k e l t r a n s i s t o r s invers w o r d e n g e bruikt zodat alle emitters, dus in feite het substraat als een groot a a r d v l a k f ungeert en er geen

b e d r a d i n g n o d i g is v o o r a l l e r l e i a a r d v e r b i n - d i n g e n .

Dankzij het feit dat de basis va n de PNP- t r a n s i s t o r aan aarde ligt en de c o l l e c t o r

g e v o r m d wordt d oor de basis van de N P N - t r a n s i s - tor behoeft a l l e e n de e m i t t e r n o g g e m a a k t te worden. De hele s t r o o m b r o n is dus niets anders dan een smalle stro o k P - m ateriaal, die b o v e n ­ dien n o g aan w e e r s z i j d e n een t r a n s i s t o r k an voeden. Als we deze stro o k de i n j e k t o r n o e m e n - hij i n j e k t e e r t immers g a t e n in de e p i t a x i a l e laag - en we zien dat de P N P - t r a n s i s t o r reeds v o o r een deel g e ï n t e g r e e r d is in de N P N - t r a n -

sistor, dan is de n a a m I n t e g r a t e d I n j e c t i o n Logic duidelijk.

E i g e n s c h a p p e n va n I L2

E en I L poort h e e f t

2 in

p r i n c i p e de k l e i n s t e a f m e t i n g e n v an alle b e k e n d e L S I - b o u w s t e n e n en is, d o o rdat slechts v ijf m a s k e r s en drie

d i f f u s i e s n o d i g zijn, e e n v o u d i g te maken. Er is dus al aan twee b e l a n g r i j k e eisen, die aan L S I - e l e m e n t en g e s t e l d m o e t e n worden, voldaan.

Ook wat betreft het 'CD -p r o d u k t is I^L

s u p e r i e u r aan de m e e s t e andere bouwstenen. Dit is ook te v e r w a c h t e n omdat de l o g i s c h e span- n i n g s s l a g van de s i g n a l e n k l e i n is - n a m e l i j k het v e r s c h i l tussen de s p a n n i n g over een g e ­

l e idende b a s i s e m i t t e r o v e r g a n g en de c o l l e c t o r -

k n i e s p a n n i n g van een g e l e i d e n d e t r a n s i s t o r - zodat a llerlei p a r a s i t a i r e c a p a c i t e i t e n snel g e l a d e n en o n t l a d e n k u n n e n worden. B o v e n d i e n zijn deze c a p a c i t e i t e n k l e i n door de k l e i n e a f m e t i n g e n van een poort.

Voor n o r m a l e I L p o o r t e n b e d r a a g t het 2 T D - p r o d u k t o n g e v e e r 1 p J . Dat b e t e k e n t dat een s c h a k e l i n g met 1000 p o o r t e n met een ver- t r a g i n g s t i j d van 100 ns in totaal I0 mW

dissipeert, een d i s s i p a t i e n i v e a u dat in een T T L - s c h a k e l i n g al voor één poort n o d i g is,

zij het dan dat deze 10 k e e r sneller is.

Met de h u i d i g e t e c h n o l o g i e is een p r a k ­ tische o n d e r g r e n s voor de snelheid van een gew o n e I L poort o n g e v e e r 50 ns. Het is 2 r e d e l i j k te v e r w a c h t e n dat door g e b r u i k te m a k e n van n i e u w e r e t e c h n i e k e n deze grens a a n z i e n l i j k lager zal k o m e n te liggen.

Een andere a a n t r e k k e l i j k e e i g e n s c h a p wordt g e v o r m d door het o n t b r e k e n van w e e r ­

s t a nden die in g e b r u i k e l i j k e p o o r t s c h a k e l i n g e n de i n s t e l l i n g bepalen. Bij I L wordt de i n ­2 '

s t e l l i n g ext e r n b e p a a l d door g e s c h i k t e ke u z e van de stroom die aan de i n j e k t o r wordt t o e ­ gevoerd. D o o r d a t het "TD -produkt over enkele d e k a d e n k o n s t a n t blijft, biedt dit de mogelijk­

h e i d om g e d u r e n d e het b e d r i j f van de s c h a k e ­ ling het s t r o o m n i v e a u aan te p a s s e n aan de g e w e n s t e snelheid.

T e n s l o t t e moet g e w e z e n w o r d e n op de

„ „ 2

m o g e l i j k h e i d om op één chip I L s c h a k e l i n g e n te k o m b i n e r e n met andere type b i p o l a i r e

schakelingen. Er wordt dan niet u i t g e g a a n van een N + substraat m a a r van een P-substraat,

zoals in fig u u r 3 is aangegeven. Met een extra m a s k e r w o r d e n h i e r i n N + d i f f u s i e s aangebracht, die d a a r n a bedekt w o r d e n door de ep i t a x i a l e N

laag. De o n t s t a n e b e g r a v e n N + laagjes dien e n als g e m e e n s c h a p p e l i j k e e m i t t e r voor de I L

2

t r a n s i s t o r s en als c o l l e c t o r v o o r k o n v e n t i o - nele transistors. Een tweede m a s k e r dient om diepe P + g e b i e d e n te d i f f u n d e r e n die de kon- v e n t i o n e l e t r a n s i s t o r s van elkaar scheiden, w a a r n a het proces v e r d e r ve r l o o p t zoals bij het eerder b e s c h r e v e n zuivere I L proces.

2

1 L poort normale transistor

--- — —---► + ---►

t r a n s i s t o r op één chip.

Ten koste van twee extra m a s k e r s is het dus

m o g e l i j k om naast I L ook andere schakelingen,

2

b i j v o o r b e e l d snelle b i p o l a i r e s c h a k e l i n g e n of a n a loge s c h a k e l i n g e n op d e z e l f d e chip te v e r ­ vaardigen. Z i nvolle t o e p a s s i n g e n van dit 7- m a s k e r proces v i n d e n we bij a l lerlei soorten i n t e r f a c e - s c h a k e l i n g e n , v e r m o g e n s v e r s t e r k e r s , en d e r g e l i j k e [

3

_]

O n t w e r p e n met I~L

In de s c h a k e l i n g v o l g e n s fig u u r 4a is v e r o n d e r ­ steld dat de i n g a n g van poort 1 door een

v o o r a f g a a n d e g e l e i d e n d e poort n a a r aarde is k o r t g e s l o t e n zodat er geen b a s i s s t r o o m vloeit.

+

A

B

A+ B

b.

Fig. 4. O R - s c h a k e 1i n g .

We zullen deze i n g a n g als een l ogische 0

(een laag s p a n n i n g s n i v e a u ) definiëren. De poort w a a r v a n een c o l l e c t o r poort 2 stuurt, is niet g e l e i d e n d v e r o n d e r s t e l d zodat in poort 2 alle stroom uit de s t r o o m b r o n in de basis loopt. De i n g a n g v an poort 2 zull e n we a a n d u i d e n met een logische 1. De u i t g a n g van poort 3 geeft een logische 1 af - mits ook w e e r belast met een niet a a n g e g e v e n poort - w a n n e e r één der p o o r t e n

1 of 2 (of beide) g e l e i d e n d zijn, dus w a n n e e r m i n i m a a l één i n g a n g een logische 1 voorstelt, zoals in de t e k e n i n g het geval is. De s c h a k e ­ ling stelt dus een 0 R - f u n k t i e voor. Een AND- f u n ktie wordt v e r k r e g e n door het e e n v o u d i g w e g d o o r v e r b i n d e n van c o l l e c t o r s van v e r s c h i l l e n d e poorten. Zo stelt de d o o r v e r b i n d i n g van de

twee u i t g a n g e n van p o o r t e n 1 en 2 een AND voor, omdat het signaal h i e r o p a l l e e n een l o gische 1 k a n zijn als beide p o o r t e n een l ogische 1

a f g e v e n .

In f i g u u r 4b is een e e n v o u d i g e n o t a t i e aangegeven. Ee n poort wordt v o o r g e s t e l d door

een v i e r k a n t j e met links de i n g a n g en rechts de uitgangen. Het i n v e r t e r e n van het signaal wordt door een c i r k e l t j e aangegeven. De ingangs­

si g n a l e n A en B w o r d e n g e ï n v e r t e e r d tot A en B, die we als z o d a n i g in het h o k j e schrijven.

De d o o r v e r b i n d i n g geeft de A N D - f u n k t i e A.B zodat we in het derde h o k j e k u n n e n s c h r i j v e n A.B, wat juist o v e r e e n k o m t met de O R - f u n k t i e A + B.

T e r i l l u s t r a t i e van het v e r t a l e n v a n een schakeling, in k o n v e n t i o n e l e N A N D - p o o r t e n

getekend, n a a r een I L s c h a k e l i n g zul l e n we 2 de b e k e n d e D f l i p - f l o p van f i g u u r 5a b e s c h o u ­ wen. Na elke o m h o o g g a a n d e f l a n k van het klok-

signaal CL v e r s c h i j n t op de u i t g a n g Q de i n f o r m a t i e die tijdens de k l o k f l a n k op de D i n g a n g a a n w e z i g was.De I 2L ver s i e in figjur 5b wordt g e v o n d e n door elke N A N D - p o o r t te ver- v a n g e n door een I L poort met evenveel c o l l e c ­

2

tors als de fan-out va n de o o r s p r o n k e l i j k e N A N D - p o o r t b e d r a a g t en de i n g a n g van deze poort te v e r b i n d e n met een u i t g a n g va n alle p o o r t e n die in het o o r s p r o n k e l i j k e sch e m a als i n g a n g s s i g n a a l v oor de poort dienst doen.

Fig. 5. D flip-flop, s c h a k e l i n g en lay-out.

Het k l o k s i g n a a l wordt met twee p o o r t e n belast zodat we nu twee aparte k l o k i n g a n g e n zoud e n krijgen. Op de a a n g e g e v e n w i j z e is dit met

een extra poort tot één i n g a n g gereduceerd, waarbij het s c h a k e l e n van de f l i p - f l o p n a t u u r ­ lijk op de o m l a a g g a a n d e f l a n k van de k l o k zal pla a t s vinden.

Als v o l g e n d e stap k a n m e n een schetsmatige lay-out va n deze s c h a k e l i n g m a k e n door de

p o o r t e n in een juiste v o l g o r d e naast elkaar te p l a a t s e n en dan de ve r e i s t e v e r b i n d i n g e n te maken. In de in f i g u u r 5c a a n g e g e v e n schets is

een basis door een k r u i s j e w e e r g e g e v e n en een c o l l e c t o r door een cirkeltje. De b i j g e p l a a t s t e n u m m e r s k o r r e s p o n d e r e n met de p o o r t n u m m e r s in het I L schema.

2

U i t g a a n d e van deze schets k a n m e n dan t e n s l o t t e k o m e n tot de d e f i n i t i e v e t e k e n i n g va n de lay-out v o l g e n s f i g u u r 5d. Het o p p e r v l a k van deze s c h a k e l i n g op de chip blij k t dan

0 , 0 3

mm te bedragen, o v e r e e n k o m e n d met een2 p a k k i n g s d i c h t h e i d van m e e r dan 200 p o o r t e n per mm . V oor g r o t e r e s c h a k e l i n g e n zal deze d i c h t ­

2

h e i d in de p r a k t i j k a l l e e n bereikt k u n n e n w o r ­ den v oor r e g e l m a t i g e strukturen, zoals geheu- genmatrices, s c h u i f r e g i s t e r s en dergelijke.

V oor s c h a k e l i n g e n met veel b e d r a d i n g is een p r a k t i s c h e w a a r d e v oor de p a k k i n g s d i c h t h e i d 80 p o o r t e n per rnm .2

Als een v o o r b e e l d va n een d e r g e l i j k e

s c h a k e l i n g met veel b e d r a d i n g w o r d e n h i e r o n d e r enkele d e tails van een geh e e l d i g i t a a l w e r k e n ­ de d a t a z e n d e r besproken.

D A T A - T R A N S M I S S I E

Een b e l a n g r i j k e b o u w s t e e n in een schakeling, die d i g i t a l e i n f o r m a t i e over een t e l e f o o n l i j n moet verzenden, is in f i g u u r 6 weerge g e v e n .

d a t a in uit

Fig. 6. F i l t e r en m o d u l a t o r als b o u w s t e e n voor datazender.

Het d a t a s i g n a a l wordt na op een b e p a a l d e wi j z e g e f i l t e r d te zijn op een d r a a g g o l f gemoduleerd.

Bij d a t a - t r a n s m i s s i e wordt geeist dat de v e r t r a g i n g s t i j d v oor alle f r e q u e n t i e s in het g e f i l t e r d e g e b i e d even groot is (zoals ook bij t e l e v i s i e - s i g n a l e n het geval is). A a n deze eis k a n m a k k e l i j k w o r d e n v o l d a a n d o o r een trans-

v e r s a a l filter. In een d e r g e l i j k f i l t e r wordt het u i t g a n g s s i g n a a l g e v o r m d door sommatie van met b e p a a l d e w e e g f a k t o r e n v e r m e n i g v u l d i g d e v e r ­

traagde v e r s i e s van het i n g a n g s s i g n a a l £ 4 ]

D i g i t a l e t r a n s v e r s a l e filters

Een f i l t e r kan b e s c h r e v e n w o r d e n door zijn i m p u l s r e s p o n s i e . W i l l e n we een d i g i t a a l t r a n s ­ v e r s a a l f i l t e r maken, dan b e g i n n e n we met een reeks g e t a l l e n te noteren, die o p e e n v o l g e n d e m o n s t e r s van de g e v r a a g d e i m p u l s r e s p o n s i e a a n ­ duiden. In f i g u u r 7a zijn dit de g e t a l l e n C1, C 2 , ... Cn.

r

b.

R.O.M.

__V

vermenig­

vuldiger

X _mulator ^accu­

X X _uit c.

Fig. 7. P r i n c i p e en p r a k t i s c h e u i t v o e r i n g van t r a n s v e r s a a l filter.

schuifregister

de i n g a n g van het s c h u i f r e g i s t e r g e d u r e n d e de eerste s c h u i f s l a g met de f i l t e r i n g a n g v e r b i n d e n en g e d u r e n d e de r e s t e r e n d e N-1 s c h u i f s l a g e n

met de u i t g a n g van het schuifregister, dan v e r s c h i j n e n aan de u i t g a n g a c h t e r e e n v o l g e n s alle o p g e s l a g e n i n g a n g s m o n s t e r s , g e v o l g d door het zojuist ingevoerde. Door nu op de goede

t i j d s t i p p e n de juiste c o ë f f i c i ë n t e n aan te bied e n k u n n e n we met één v e r m e n i g v u l d i g e r v o l ­ staan, die a c h t e r e e n v o l g e n s alle d e e l p r o d u k t e n berekent, die in figu u r 7t> t e g e l i j k e r t i j d

w e r d e n verkregen. O p t e l l i n g va n alle N deel- p r o d u k t e n in een a k k u m u l a t o r levert weer een uitgaiigsmonster van het filter.

De c o ë f f i c i ë n t e n k u n n e n met v o ordeel g e l e ­ zen w o r d e n uit een r e a d - o n l y g e h e u g e n (ROM)

zodat een f l e x i b e l e s c h a k e l i n g v e r k r e g e n wordt.

Een andere f i l t e r k a r a k t e r i s t i e k ka n dan immers e e n v o u d i g gemaakt w o r d e n d oor een R O M met

andere g e t a l l e n te gebruiken.

D i g i t a l e m o d u l a t i e

Het m o d u l e r e n van het u i t g a n g s s i g n a a l van het filter uit figu u r 6 k a n plaats vinden door met een v e r m e n i g v u l d i g s c h a k e l i n g de p r o d u k t e n te b e r e k e n e n van de u i t g a n g s m o n s t e r s va n het

filter met m o n s t e r s van het d r a a g g o l f s i g n a a l . Als nu in de tijd w a a r i n M m o n s t e r s worden

a a n g e b o d e n een geheel aantal d r a a g g o l f p e r i o d e n past zullen er h o o g s t e n s M v e r s c h i l l e n d e g e m o ­ d u l e e r d e r e s p o n s i e s (afgezien van de a m p l itude) k u n n e n optreden. De m o d u l a t i e ka n dan g e r e a ­

liseerd w o r d e n door de o o r s p r o n k e l i j k e filter- c o ë f f i c i ë n t e n met de w a a r d e n van de d r a a g g o l f - m o n s t e r s te v e r m e n i g v u l d i g e n en deze p r o d u k t e n

op te slaan in het ROM, zodat g een m o d u l a t i e - circuit als z o d a n i g m e e r a a n w e z i g is.

Het p r i n c i p e va n het f i l t e r is in figuur 7b aangegeven. Een reeks v e r t r a g i n g s e l e m e n t e n bevat N-1 o p e e n v o l g e n d e m o n s t e r s va n het

i n g a n g s s i g n a a l . De N v e r m e n i g v u l d i g e r s v e r m e ­ n i g v u l d i g e n deze m o n s t e r s met een b e p a a l d e

c o e f f i c i e n t en de som van de N p r o d u k t e n stelt een m o n s t e r van het u i t g a n g s s i g n a a l voor. We zien m a k k e l i j k in dat de c o ë f f i c i ë n t e n k o r r e s - p o n d e r e n met de g e t a l l e n uit f i g u u r 7a door na

te g aan wat er gebeurt als we een enkele impuls a a n b i e d e n die a c h t e r e e n v o l g e n s alle v e r t r a ­

g i n g s e l e m e n t en doorloopt.

In een p r a k t i s c h e u i t v o e r i n g v o l gens f i g u u r 7c zullen we een s c h u i f r e g i s t e r van N-1 t r a p p e n t o e p a s s e n dat we N s c h u i f o p d r a c h ­

ten g e v e n in één b e m o n s t e r i n g s p e r i o d e . Als we

EEN D I G I T A L E D A T A Z E N D E R IN I 2L

Deze p r i n c i p e s zijn a a n l e i d i n g g e weest om een k o m p a k t e d a t a z e n d e r te b o u w e n die met I L-

2

t e c h n i e k e n op één IC is o n d e r g e b r a c h t . Een apart RO M maakt all e r l e i f i l t e r k a r a k t e r i s t i e - k e n en zelfs m o d u l a t i e m e t h o d e n g e m a k k e l i j k

r e a l i s e e r b a a r door een andere inh o u d van het R O M te gebruiken. In deze versie is M=4 en w o r d e n

300

c o ë f f i c i ë n t e n g e b r u i k t rsi .

B l o k s c h e m a

F i g u u r 8 stelt het b l o k s c h e m a van de zender voor. H i e r i n h e r k e n n e n we de e l e m e n t e n uit f i g u u r 7c met b o v e n d i e n de timing, o m z e t t e r en buffer. De tim i n g levert alle b e s t u r i n g s -

s i g n a l e n en ook de a d r e s k o d e v oor het ROM die d a a r d o o r op de goede t i j d s t i p p e n de juiste c o ë f f i c i ë n t levert b e s t a a n d e uit een getal

van 7 bits met een extra tekenbit. De o m z e t t e r leidt van de in het s c h u i f r e g i s t e r c i r c u l e r e n ­ de i n g a n g s m o n s t e r s s i g n a l e n X1 en X2 af die een v e r m e n i g v u l d i g i n g van de c o ë f f i c i ë n t met

1 of met 2 k o m m a n d e r e n en bovendien, samen met het teken van de coëfficiënt, een signaal INV dat een t e k e n o m z e t t i n g va n het p r odukt k o m m a n d e e r t . De b u f f e r dient om de p r o d u k t e n

uit

Fig. 8. B l o k s c h e m a van datazender.

te r e g e n e r e r e n v o o r d a t zij bij de a c c u m u l a ­ tor w o r d e n opgeteld. Op die m a n i e r is v o o r de o p t e l l i n g een hele k l o k p e r i o d e beschikbaar.

S i g n a a l b e r e k e n i n g

Het i n t e r e s s a n t s t e g e d e e l t e van de zender

wo r d t g e v o r m d door de v e r m e n i g v u l d i g e r ,b u f f e r en accumulator. Dit g e d e e l t e b e staat uit een aantal i d e n t i e k e t r a p p e n w a a r v a n er in figuur 9 een is getekend.

XIX2 S

R C0 C

^q

Co

Fig. 9. T rap van v e r m e n i g v u l d i g e r , b u f f e r en accumulator.

B e h a l v e de reeds g e n o e m d e k o m m a n d o ' s X 1 , X2 en INV zien we een r e s e t k o m m a n d o S v o o r het

a c c u m u l a t o r r e g i s t e r en een k l o k s i g n a a l CL voor de f l i p - f l o p van b u f f e r en accumulator. Q is de u i t g a n g en R stelt één van de 7 bits van de

c o ë f f i c i ë n t voor. Deze wordt ook n a a r de

v o l g e n d e trap g e v o e r d en evenzo wordt de bit van de v o o r a f g a a n d e trap binnengevoerd. T e n ­

slotte zien we n o g drie c a r r y - i n g a n g e n en drie c a r r y - u i t g a n g e n .

V e r m e n i g v u l d i g e r

De v e r m e n i g v u l d i g e r wordt g e v o r m d d oor de p o o r t e n 1 t/m Als we de i n g a n g INV een

logische 1 maken, dan zal poort 1 een logische 0 afgeven. De twee u i t g a n g e n va n deze poort v o e d e n de i n g a n g e n van p o o r t e n 7 en 8 die d a a r ­ door, o n geacht h u n verdere i n g a n g s s i g n a l e n ,

beide een logische 1 afgeven. Het u i t g a n g s ­ signaal v an de v e r m e n i g v u l d i g e r , dat is het

signaal op de i n g a n g van f l i p - f l o p B, wordt dan d oor poort 9 b e p a a l d en we h e r k e n n e n h i e r de 0 R - s c h a k e l i n g van figu u r De p o o r t e n 2,3 en

k

f u n g e r e n slechts als o m k e e r t r a p p e n zodat de i n g a n g va n poort 3 a l l e e n h o o g is w a n n e e r X2 w a a r is en de c o e f f i c i e n t b i t van de vorige trap de waarde 1 heeft, terwijl de i n g a n g van poort 6 a l l e e n h o o g is w a n n e e r X1 w a a r is en de c o e f f i c i e n t b i t R de w a a r d e 1 heeft.

G e v e n we de i n g a n g INV een l o gische 0, dan zal poort 1 een l o gische 1 afgeven. De i n g a n g van poort 7 wordt nu u i t s l u i t e n d door de p o o r t e n 3 en 6 b e p a a l d zodat poort 7 precies h e t z e l f d e signaal afgeeft als het u i t g a n g s ­

signaal v a n de v e r m e n i g v u l d i g e r in de h i e r ­ boven g e s c h e t s t e toestand. De i n g a n g va n poort 9 wordt nu b e p a a l d door de A N D - f u n k t i e van de u i t g a n g e n v a n de p o o r t e n 3,6 en 7 h e t g e e n ,omdat poort 7 de N A N D — f u n ktie van de u i t g a n g e n van p o o r t e n 3 en 6 levert, a l t i j d 0 geeft. Nu wordt dus de u i t g a n g v a n de v e r m e n i g v u l d i g e r door poort 8 g e v o r m d die het signaal va n

poort 7 een keer i n v e r t e e r t zodat deze s c h a k e ­ ling i n d e r d a a d doet wat er van v e r l a n g d wordt.

Op de i n g a n g e n van de b u f f e r f l i p - f l o p B v i n d e n we dus het getal dat bij de i n h o u d van de

a c c u m u l a t o r f l i p - f l o p A moet w o r d e n opgeteld.

O p t e l I e r

De o p t e l l e r b e s t a a t pe r trap uit de p o o r t e n 10 t/m 13. De w e r k i n g ervan zullen we niet op de o m s l a c h t i g e m a n i e r zoals h i e r b o v e n b e k i j k e n m a a r door de l o g i s c h e f o r m u l e s v o o r zijn uit- gangs s i g n a l e n af te leiden.

We k u n n e n de v o l g e n d e tabel o p s t e l l e n van de signalen zoals die door de zes p o o r t e n g e ­ maakt worden, u i t g e d r u k t in i n g a n g s s i g n a 1en A, B en C waa r i n A de u i t g a n g van de accumulator, B de u i t g a n g van de b u f f e r en C de carry van de vorige trap voorstelt.

10 = A.B = A+B 1 1 =

A.B =

_A+B

12 = 10.11 = TÖ+ÏT = AB+AB

13 = 1 o. 11. c = Tö+TT +c = ^{a b} + ^{a b} + ^c T

14

=

10.C = LÖ+C = AB+C 15 = 12. C" = Ï~2+C = A B +AB+C

U i t g a a n d e van deze tabel v i n d e n we dan de formules voor de u i t g a n g s s i g n a l e n :

C = 11.14 = (A + B ).(A B + C ) = A B + A C + B Co __ ___ ___

(T = 10.13 = (A+B) . ( A B + A B + C ) = A B + A C + B C X =

1 3 . 1 5

= ( A B + A B + C ) . ( A B + A B + C ) =

= A B C + A B C + A B C + A B C

C stelt de b e k e n d e formule v oor de carry voor, _oC de inverse waar d e d a a r v a n en X de som o

zodat deze s c h a k e l i n g i n d e r d a a d als o p teller w e r k t .

Het g e b r u i k van drie c a r r y - s i g n a l e n tussen twee t r appen wordt v o o r g e s c h r e v e n door de

n o o d z a a k om de l o optijd van de c a r r y - s i g n a l e n zo k l e i n m o g e l i j k te houden. A l l e e n met deze s c h a k e l i n g is in de o n g u n s t i g s t e situatie, n a m e l i j k een carry die in de minst s i g n i f i ­

cante trap g e g e n e r e e r d wordt en die alle t r a p ­ p en van de o p t e l l e r d o o r l o p e n moet, de propa- g a t i e t i j d per trap te b e p e r k e n tot de vertra- g i n g s t i j d van één poort.

De som X wordt n a a r de ing a n g van de a c c u m u l a t o r f l i p - f l o p s t e r u g g e v o e r d en daarin met de e e r s t v o l g e n d e CL puls o v e r g e n o m e n .Het k o m m a n d o S zorgt ervoor dat de hele a c c u m u l a ­

tor v oor het b e g i n van de v o l g e n d e r e k e n c y c l u s in 0 wordt gezet doordat via poort

16

aan de i n g a n g e n van de a c c u m u l a t o r een logische 0 wordt aangeboden.

Lay-out

Figu u r I0 laat de lay-out van een trap zien.

Dit is de s c h a k e l i n g van figuur 9 rnet enkele -toevoegingen. Zo worden er in de p r a k t i j k

ma x i m a a l vier c o l l e c t o r s per 1 L-poort t o e g e ­

2

staan zodat poort 10 in figuur 9 is gesplitst.

B o v e n d i e n is achter de u i t g a n g Q no g een extra u i t g a n g s r e g i s t e r g e p l a a t s t zodat de u i t g a n g s - m o n s t e r s g e d u r e n d e een hele cyclus aan de

u i t g a n g b e s c h i k b a a r zijn.

In het midden, w aar de c a r r y - s i g n a l e n van de ene trap naar de andere lopen, is te zien hoe k r u i s i n g e n van g e l e i d e r s w o r d e n gemaakt.

Het P - g e b i e d van de i n j e c t o r is d a a r t o e p l a a t ­ selijk w e g g e l a t e n m a a r de beide injectors

m o e t e n n a t u u r l i j k wel d o o r v e r b o n d e n b l i j v e n via het a l u m i n i u m dat alt i j d b o v e n o p de i n j e c ­ tor m e e l o o p t om te veel s p a n n i n g s v a l langs de in j e c t o r te voorkomen. De p o o r t e n zouden d a a r ­ door geen u n i f o r m e s t u u r s t r o o m o n t v a n g e n w a a r ­ door de door de P N P - s t r o o m b r o n n e n g e l e v e r d e stromen een grotere s p r e i d i n g zou d e n v e r t o n e n en we dus h o g e r e eisen m o e t e n stellen aan de m i n i m a l e s t r o o m v e r s t e r k i n g van de N P N - t r a n s i s - tors. Het k r u i s e n van dit a l u m i n i u m gebeurt nu via stukjes c o l l e c t o r d i f f u s i e eronder. Deze m o g e n n a t u u r l i j k niet r e c h t s t r e e k s in de epi-

taxiale N - l a a g g e d i f f u n d e e r d w o r d e n omdat ze dan o n d e r l i n g niet g e ï s o l e e r d zouden zijn. D a a r ­ om w o r d e n ze g e z a m e n l i j k in een groot P-gebied, dus een grote basisdiffusie, gemaakt zodat er in feite een- grote t r a n s i s t o r ontstaat. Als we nu n o g zorgen dat deze basis aan aarde wordt g e l e g d (de emitter ligt al a u t o m a t i s c h aan

aarde), dan zijn alle P N - o v e r g a n g e n g e s p e r d en de c o l l e c t o r d i f f u s i e s zul l e n elkaar niet b e ­ ï n v l o e d e n .

Het v o o r d e e l van deze k o n s t r u k t i e is dat we g een d u b b e 1 l a a g s b e d r a d i n g s t e c h n i e k (met

twee extra maskers) h o e v e n te g e b r u i k e n m a a r dat we met het b e s t a a n d e aantal m a s k e r s k u n n e n werken. N a t u u r l i j k vraagt z o ’n k r u i s i n g wel extra c h i p o p p e r v l a k t e en een deel van de kunst van het m a k e n van een layout is dan ook om

Fig. 10. Lay-out van figuur 9»

k r u i s i n g e n zoveel m o g e l i j k t r a c h t e n te ver- rni j d e n .

K o n k l u s i e

I L blijkt een goede L S I - b o u w s t e e n te zijn,2 zoals met deze d a t a z e n d e r is o n d e r v o n d e n .De totale s c h a k e l i n g van o n g e v e e r 800 p o o r t e n (i n k l u s i e f i n t e r f a c e - s c h a k e l i n g e n om in- en u i t g a n g s s i g n a l e n T T L - c o m p a t i b l e te maken)

blijkt op een chip van

13

m m te k u n n e n w o r d e n

2

v e r w e z e n l i j k t bij een totaal o p g e n o m e n

ve r m o g e n va n

60

mW. Deze chip k a n met v o o r ­ deel w o r d e n t oegepast in het z e n d g e d e e l t e van de m e e s t e g a n g b a r e d a t a t r a n s m i s s i e s y s t e ­ me n vi a t e l e f o o n l i j n e n

R e f e r e n t i e s

1 H.H. Berger, S.K. Wiedmann, "Merged t r a n s i s t o r - l o g i c - A low-cost b i p o l a r logic concept", ISSCC D i g . T e c h . P a p e r s , pp 90-91, F e b . 1 972.

2 C.M. Hart, A. Slob, " I n t e g r a t e d

i n j e c t i o n logic - A n e w a p p r o a c h to LSI", ISSCC D i g . T e c h . P a p e r s , pp 92-

93, Feb. 1972.

3 C.M. Hart, A. Slob, H.E.J. W u l m s ,

" B ipolar LSI takes a n e w d i r e c t i o n w i t h I L " , E l ectronics, no. 20, pp.

2

111-118, Oct. 197^.

k

P.J. va n Gerwen, "Het g e b r u i k van

d i g i t a l e s c h a k e l i n g e n bij d a t a t r a n s ­ m i s s i e " P h i l i p s T e c h n i s c h Tijdschrift, no. 3, PP. 71-82, 1969.

3 W.A.M. Snijders, N.A.M. Verhoeckx, H.A. v an Essen, P.J. v a n Gerwen,

"Digital g e n e r a t i o n of l i nearly m o d u l a t e d d ata waveforms", IEEE Transact, on Comm., Nov. 1975»

Voordracht gehouden 21 mei 1975 op de Afdeling der Elektrotechniek THT tijdens een gemeenschappelijk sym­

posium van het NERG (werkvergadering nr. 246) en de Benelux-section IEEE.

ELASTISCHE OPPERVLAKTEGOLVEN IN EEN GELAAGD SUBSTRAAT

Ir. A. Venema

Laboratorium voor Elektrotechnische Materialen

Afdeling der Elektrotechniek, Technische Hogeschool Delft

Naast de realisaties van vertragingslijnen en filters werkend met elastische oppervlaktegolven op homo­

gene piezoelektrische kristalsubstraten, zoals kwarts en lithiumniobaat, is er een toenemende belang­

stelling waar te nemen ten aanzien van gelaagde (inhomogene) substraten.

In dit artikel zullen enkele facetten van voortplanting van elastische oppervlaktegolven in een gelaagd substraat worden toegelicht en wel die in het laboratorium voor Elektrotechnische Materialen worden onderzocht.

INLEIDING

De toepassing van elastische golven (ook wel akoes­

tische golven genoemd) in vaste stoffen, speelt in de elektrotechniek sedert lange tijd een belangrijke rol.

Filters in de vorm van nauwkeurig gedimensioneerde piezoelektrische kristallen en vertragingslijnen voor het vertragen of opslaan van signalen vormen de bekend­

ste toepassingen^. Het elektrische signaal wordt eerst omgezet in een akoestisch signaal, dat de vereiste

signaalbehandeling ondergaat, waarna het weer in een elektrisch signaal wordt omgezet. De omzettingen van elektrische naar akoestische energie en vice versa kunnen op zichzelf worden gebruikt om de gewenste

signaalbehandeling te realiseren.

Elastische golven in vaste stoffen hebben de

aantrekkelijke eigenschap dat de golfsnelheid een fak- tor 105 lager ligt dan die van elektromagnetische

golven, zodat we voor de vertraging van een signaal een faktor 105 minder mediumlengte nodig hebben dan bij elektromagnetische golven.

Men heeft aanvankelijk bij akoestische vertra­

gingslijnen en filters gebruik gemaakt van volumegolven (bulk waves). Elastische volumegolven zijn golven die zich in een oneindig uitgebreid medium kunnen voort­

planten.

Hierin onderscheidt men twee golftypen:

A. longitudinale golven, d.w.z. de materiedeeltjes verplaatsen zich evenwijdig aan de voortplantings-

richting van de golf (Fig. la).

Fig. la. Longitudinale golf. De knooppunten stellen materiedeeltjes voor. Het materiaal wordt beurtelings

samengedrukt en uitgerekt in de richting van de golf­

voortplanting .

B. transversale golven, waarbij de materiedeeltjes zich loodrecht op de voortplantingsrichting verplaatsen

(Fig. lb .

Fig. lb. Transversale golf. De materieverplaatsing staat loodrecht op de richting van de golfvoortplanting.

In 1885 toonde Lord Rayleigh langs theoretische weg de existentie van elastische oppervlaktegolven aan . Als

2

medium werd beschouwd een isotrope elastische halfruimte met een vlakke begrenzing vrij van mechanische normaal-

spanningen. Het is in deze situatie mogelijk dat zich een niet-uniforme elastische oppervlaktegolf (met vlak golffront) langs het spanningsvrije oppervlak voortplant met een indringdiepte in het medium van twee- tot drie­

maal de golflengte. Men noemt dit type golf een Rayleigh golf. (Fig. lc).

1. Het is dus mogelijk substraten te gebruiken met een dikte groter dan driemaal de golflengte.

2. De golfsnelheid van Rayleigh golven is lager dan die van de transversale volumegolf die zich in dat

medium kan voortplanten, dus ook een factor 105 lager dan de golfsnelheid van elektromagnetische golven. Een realistische waarde voor de fasesnelheid van Rayleigh golven is 3000 m/s, dit houdt in dat bij toepassingen in het frekwentiebereik: 10 MHz tot

1 GHz de golflengten zullen liggen in het bereik van:

300 ym tot 3 ym.

3. De golfopwekking en -detektie geschiedt door middel van een interdigitale transducer. De vorm van deze planaire metaalstruktuur (Fig. 2a) bepaalt de vorm van de doorlaatband van het filter (vertragingslijn).

Het zijn deze eigenschappen van de Rayleighgolf en de transducent, die er toe hebben geleid dat er heden ten dage veel toepassingen van zijn te vinden in de elek­

trotechniek en wel in het bijzonder in de telecommuni­

catietechniek^ * ^

i~>.

De grondvorm van de meeste filters werkend met elastische oppervlaktegolven is de elementaire vertra- gingslijn bestaande uit twee interdigitale transducers, aangebracht op een vlak gepolijst oppervlak van een piezoelektrisch kristalsubstraat, en op zekere afstand van elkaar aangebracht (Fig. 3).

DE INTERDIGITALE TRANSDUCER

De nog steeds meest efficiënte methode om elastische oppervlaktegolven op te wekken is de elektrische opwek­

king met behulp van de door White en Voltmer ontwikkel- de interdigitale transducer (i.d.t.). De i.d.t. wordt 3 aangebracht op het oppervlak van een homogeen piezo­

elektrisch substraat (Fig. 2a).

Fig. 2a. Bovenaanzicht van een uniforme interdigitale transducer.

doorsnede D-D' ( vergroot) lucht

X3-as piëzo-elektrisch medium

richting golfvoortplanting

X ^ - as p . f = V ; --X

f = 4-

Fig. 2b. Doorsnede van de transducer uit Fig. 2a. De geschetste verdeling van het elektrisch veld hoort bij een aangenomen momentane waarde van het elektrisch ingangssignaal.

interdigitale transducer

L akoestisch absorberend materiaal

Fig. 3. Vertragingslijn werkt met elastische oppervlak­

tegolven.

Lithiumniobaat en kwarts zijn heden ten dage veelvuldig gebruikte piezoelektrische substraatmaterialen.

Uit een op het oppervlak opgedampte metaallaag van bijvoorbeeld aluminium of goud (met een onderliggende hechtingslaag van chroom) wordt door toepassing van de fotolithografische technieken van het planaire IC-proces, het metaalpatroon van de i.d.t. geëtst.

In Fig. 2b is een doorsnede van de i.d.t. weerge­

geven. Een bepaalde polariteit, die bij een momentane waarde van het sinusvormige ingangssignaal behoort, wordt hierbij aangenomen.

Ten behoeve van het opwekken van Rayleigh golven moet men de beschikking hebben over een vertikale en een horizontale drijvende kracht, die ruimtelijk radialen

in fase moeten zijn verschoven.

Door tussenkomst van het piezoelektrisch mechanis­

me van het substraat worden de horizontale- en de

vertikale komponenten van het elektrisch veld in daar­

mee evenredige mechanische krachten omgezet. Zo ont­

staan samendrukkingen en rekkingen van het materiaal onder de transducer.

Twee vingers (één vingerpaar) zenden over de

periode van een sinusvormige spanning een Rayleigh golf uit, van één golflengte X. Eén vingerpaar geeft echter geen voldoende sterk akoestisch signaal. Door meer

vingerparen naast elkaar te leggen en er tevens voor te zorgen dat de afstand tot een naastliggend vingerpaar zodanig is dat indien de golf er halverwege onder is gekomen, de vingerpotentiaal juist van teken is gewis­

seld, ontstaat konstruktieve interferentie (amplitude- ondersteuning). Dit omdat de uitwijking van de golf dan

in fase is met die van het naastliggende vingerpaar.

Dan geldt dat:

p = X.

p is de periode van de vingerparen,

X is de golflengte van de oppervlaktegolf.

Voorts geldt:

Vf = p • £o

v^ is de fasesnelheid van de oppervlaktegolf,

f is de synchrone frekwentie van de oppervlakte­

golf, waarvoor p = X is.

Er zijn verschillende uitvoeringsvormen van i.d.t.’s.

Tenzij anders vermeld zullen we uitsluitend de uniforme i.d.t. in onze beschouwingen betrekken. Voor uniforme i.d.t.’s geldt dat de afstand tussen de vingers gelijk is aan de breedte p/4 van de vingers (Fig. 2b) en dat de overlapping A van de vingers, die een maat is voor akoestische signaalsterkte, konstant is.

Een i.d.t. heeft een banddoorlatend karakter.

Fig. 4a. Conversie verliezen als funktie van de

frekwentie van een interdigitale transducer betrokken op een 50 ohm signaalgenerator. Het aantal vingerparen is resp. 3, 5 en 7. Het piezoelektrisch substraat is 1ithiumniobaat. (W.R. Smith et al. ).g

De synchrone frekwentie van een oppervlaktegolf is die frekwentie, waarbij de golflengte precies past op de struktuurperiode van de i.d.t. Bij de frekwentie f^

versterken de individuele bijdragen van ieder vingerpaar elkaar zodanig dat het akoestisch signaal zijn maximale waarde bereikt. Wijken we met de signaalfrekwentie enigs­

zins af van f^, dan neemt die versterking af, doordat de individuele bijdragen elkaar gaan tegenwerken. Hoe lan­

ger de i.d.t. is, en dus hoe groter het aantal vinger­

paren is, des te gemakkelijker een kleine variatie in de frekwentie er de oorzaak van zal zijn dat het akoestisch signaal aan de ene kant van de i.d.t. opgewekt, het

signaal aan de andere kant zal tegenwerken.

Een lange i.d.t. is dus zeer geschikt om signaal- frekwenties in een smalle band op te wekken resp. te ontvangen.

Ook de invloed van het aantal vingerparen en de sig- signaalfrekwentie op het faseverschil tussen het akoes­

tisch signaal en elektrisch signaal volgt uit deze beschouwingswijze (Fig. 4b).

Fig. 4b. Voor dezelfde transducers als in Fig. 4a wordt het faseverschil als funktie van de frekwentie gegeven tussen de uitgaande akoestische golf en het elektrisch ingangssignaal. (W.R. Smith et al. ).

Als gevolg van het banddoorlatend karakter van de i.d.t., zijn hiermee bandfilters te realiseren voor telekommu- nikatie toepassingen. Bij de i.d.t. als opwekker (zender) van elastische oppervlaktegolven, maakten we gebruik van het feit dat in een piezoelektrisch materiaal, een aan­

gelegde elektrische veldsterkte een samendrukking of rek bewerkstelligt. Het omgekeerde is in dit materiaal ook mogelijk. Een aangelegde mechanische kracht brengt een

elektrische polarisatie in het piezoelektrisch materiaal teweeg.

Het is om deze reden dat de i.dt. ook als ont­

vanger van golfenergie funktioneert.

GELAAGDE SUBSTRATEN

Bij homogene piezoelektrische kristalsubstraten speelt het kostenaspect een grote rol vooral voor een labora­

torium waar men immers niet ingesteld is op massapro- duktie van filters. Mede om deze reden, maar ook om het zoeken naar een alternatief voor homogene substraten is men een onderzoek begonnen naar de opwekking, voort­

planting en detektie van elastische oppervlaktegolven in inhomogene substraten (gelaagde substraten).

Veel resultaten uit het vakgebied van de toepas­

sing van elastische oppervlaktegolven voor de elektro­

techniek, zijn gebaseerd op resultaten uit de seismo­

logie en de mikrogolftheorie en -techniek voor elektro­

magnetische golven. Aangezien men in de seismologie

reeds vertrouwd is met het gelaagd substraat: aardkorst- onderliggende materie, is het begrijpelijk dat men op micronschaal de resultaten ervan tracht over te planten naar het toepassingsgebied voor de elektrotechniek.

Ook in een voldoende dik gelaagd substraat met een vlakke begrenzing die vrij is van mechanische normaal-

spanningen kunnen zich Rayleigh golven voortplanten.

In dit artikel zullen we ons beperken tot de laagste mode (grond mode) van de Rayleigh golf.

De fasesnelheid is nu een funktie van de golfleng­

te en dikte van de lagen waaruit het substraat is samen­

gesteld en wordt tot uitdrukking gebracht door het

produkt kh van de grootten van golfvektor k en laagdik- te h.

De goed ontwikkelde vervaardigingstechniek voor dunne lagen staat ten dienste.

Kiest men het goedkope amorfe (dus niet piezoelek­

trische) glas, bijvoorbeeld Dow Corning 7059 als basis­

materiaal, dan zal men voor een piezoelektrisch medium moeten zorgen, waartegen de interdigitale transducer is

aangebracht (Fig. 5).

Er zijn in de literatuur voldoende realisaties te vinden vooral van vertragingslijnen, opgebouwd uit glas met een opgedampte piezoelektrische laag van bijv.

zinkoxyde (ZnO) of cadmiumsulfide (CdS). Men kan nog een stap verder gaan en denken aan een integratie op eenzelfde siliciumkristal met PN-elektronika in de vorm van een geïntegreerd circuit (IC) vervaardigd met

behulp van de planaire IC-techniek .£

Fig. 5. Schematische opzet van een amorf substraat be­

dekt met een piezoelektrische laag en een geoxydeerd siliciumsubstraat met een piezoelektrische bovenlaag.

De transducerkonfiguratie is die van het type A.

Aangezien silicium geen piezoelektrisch kristal is, moet ook hier weer een piezoelektrische laag over de trans­

ducer worden aangebracht. In dit geval is de zaak hier­

mee niet afgedaan. Het is namelijk voor de vervaardi­

ging van een IC noodzakelijk dat het siliciumsubstraat een lage elektrische specifieke weerstand bezit van bijv. 0,2 ficm tot 5 ftcm. De dan optredende signaalver-

liezen voorkomt men door een elektrisch isolerende laag aan te brengen tussen interdigitale transducer en het siliciumsubstraat.

Daar kiezen we uiteraard het siliciumdioxyde (SiC^) voor, dat door middel van thermisch groeien op het

siliciumsubstraat is aan te brengen. We voldoen meteen aan de proceseis van de planaire IC-techniek, waarin dit oxyde wordt gebruikt voor de vervaardiging van diffusie- vensters en elektrische isolatie van kontaktvlakken.

Door de keuze van de planaire IC-techniek als realisa­

tietechniek, zit men aan een drie-lagen substraat vast, waarvan dus twee materialen vast liggen, te weten het

SiO^ en het Si. (Fig. 5).

Aangezien het akoestisch device (bouwsteen) in een elektrisch netwerk zal worden opgenomen is het van be­

lang het elektrisch vervangschema van een interdigitale transducer op te kunnen stellen.

Door W.R. Smith en medewerkers van Stanford Univer- sity zijn in 1969 twee vervangschema’s voor een uniforme interdigitale transducer op een homogeen piezoelektrisch kristalsubstraat ontwikkelt, die nog steeds hun bruik- baarheid bewijzen * .7 8