Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Διάλεξη 11 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS. Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Δομή της διάλεξης 

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Διάλεξη 11 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS. Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Δομή της διάλεξης "— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Διάλεξη 11 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

2 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Δομή της διάλεξης  Εισαγωγή  Η σύνθετη λογική NMOS  Η σύνθετη λογική CMOS  Η πύλη μετάδοσης CMOS  Ασκήσεις 2

3 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εισαγωγή 3 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

4 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου  Στη λογική MOS υπάρχει η δυνατότητα να συνδυάζονται άμεσα πύλες NAND και NOR για την υλοποίηση πιο σύνθετων διατάξεων  Βασικό πλεονέκτημα σε σχέση με άλλους τύπους διπολικής λογικής  Η δομή της βασικής λογικής πύλης CMOS:  Εκτός από τη βασική δομή (είναι στατική δομή) υπάρχουν και άλλες εξελιγμένες MOS λογικές δομές (στατικές ή δυναμικές). Στη διάλεξη αυτή θα γίνει αναφορά στην Pass Transistor Logic που βασίζεται στην πύλη μετάδοσης Εισαγωγή 4

5 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η σύνθετη λογική NMOS 5 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

6 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η σύνθετη λογική NMOS  Μια σύνθετη λογική πύλη NMOS με φορτίο τύπου αραίωσης: 6 Σε αντίθεση με τη λογική πύλη CMOS, εδώ δεν υπάρχει δικτύωμα μεταγωγής PMOS, αλλά ένα φορτίο τύπου αραίωσης

7 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η σύνθετη λογική NMOS  Η έξοδος Y θα είναι σε χαμηλή κατάσταση όποτε αναπτύσσεται αγώγιμη διαδρομή διαμέσου του δικτυώματος των τρανζίστορ μεταγωγής  Η τάση εξόδου θα είναι χαμηλή αν οποιαδήποτε από τις ακόλουθες διαδρομές είναι αγώγιμη: Α ή BC (Β και C) ή BD (B και D)  Οπότε: 7

8 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η σύνθετη λογική NMOS  Αναστροφέας Αναφοράς:  Διαστασιολόγηση με βάση τη χείριστη περίπτωση:  Μ Α : πρέπει να είναι ικανό να διατηρεί μόνο του την V OL όταν είναι το μόνο στοιχείο που άγει  W/L=2.06/1  M B, M C, M D : στη χείριστη περίπτωση υπάρχουν δύο τρανζίστορ σε σειρά (M B σε σειρά είτε με M C είτε με M D )  W/L=4.12/1  Μ L : μένει το ίδιο 8

9 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Παράδειγμα 1  Συνάρτηση εξόδου:  Διαστασιολόγηση με δύο τρόπους  1 ος τρόπος:  Χείριστη διαδρομή = CDB, τρία τρανζίστορ σε σειρά  κάθε τρανζίστορ τριπλάσιο από αυτό του αντιστροφέα αναφοράς  W/L=6.18/1  Διαδρομή ΑΒ: το άθροισμα των R on να είναι ίσο με την R on του Μ S του αντιστροφέα αναφοράς:  (W/L) A =3.09/1 9

10 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Παράδειγμα 1 – Εναλλακτική σχεδίαση  2 ος τρόπος:  Δύο υποδικτυώματα σε σειρά: το τρανζίστορ B σε σειρά με τον παράλληλο συνδυασμό των A και CD  (W/L) Β =2(2.06/1)=4.12/1  (W/L) Α+CD =2(2.06/1)=4.12/1  Επομένως:  (W/L) Α =4.12/1  (W/L) C =8.24/1  (W/L) D =8.24/1 10

11 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου  Αν η μοναδιαία διάσταση αντιστοιχεί με το ελάχιστο χαρακτηριστικό μέγεθος F  Επιφάνεια 1 ης σχεδίασης: 21.6F 2  Επιφάνεια 2 ης σχεδίασης: 24.7F 2  14% περισσότερη επιφάνεια!! Παράδειγμα 1 – Σύγκριση σχεδιάσεων 11

12 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Ιδιαίτερη Περίπτωση  Υπάρχουν 4 αγώγιμες διαδρομές: ΑΒ ή CDB ή CE ή ADE  Δεν διασπάται σε κλάδους σε σειρά και παράλληλα  Διαστασιολόγηση με προσέγγιση χείριστης περίπτωσης  CDB: 3 τρανζίστορ σε σειρά  W/L=3(2.06/1)=6.18/1  ADE: ομοίως  Έλεγχος ΑΒ και CE: (W/L) ΑΒ = (W/L) CE =3.09/1>2.06/1  V OL <0.25=V OL_refinv  Κατεύθυνση ρεύματος στο D ανάλογα με την ενεργή διαδρομή  Τρανζίστορ MOS: συμμετρικό στοιχείο  Για NMOS: απαγωγός είναι ο ακροδέκτης με τη μεγαλύτερη τάση και πηγή αυτός με τη μικρότερη 12

13 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η σύνθετη λογική CMOS 13 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

14 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Σχεδίαση σύνθετης πύλης CMOS  Λογική συνάρτηση:  Δίνεται το δικτύωμα NMOS  Ζητείται το δικτύωμα PMOS  Τοπολογία  Διαστασιολόγηση 14

15 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 1 ος τρόπος  Γραφικός τρόπος  Κάθε κόμβος στο δικτύωμα NMOS αντιστοιχεί σε ένα κόμβο του γραφήματος  Περιλαμβάνονται: κόμβος 0 για τη γείωση, κόμβος 2 για την έξοδο  Κάθε NMOS αντιπροσωπεύεται από ένα τόξο 15

16 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 1 ος τρόπος  Τοποθέτηση νέου κόμβου μέσα σε κάθε κλειστή διαδρομή (κόμβοι 4 και 5)  Συν δύο εξωτερικοί κόμβοι: ένας για την έξοδο, ένας για VDD (κόμβοι 2 και 3)  Για κάθε NMOS τόξο, προσθέτουμε ένα PMOS τόξο (μαύρο χρώμα). Κάθε PMOS τόξο τέμνει ένα NMOS τόξο (και αντιστοιχεί στην ίδια μεταβλητή εισόδου με το NMOS) και συνδέει το ζεύγος κόμβων που χωρίζονται από το τόξο NMOS  Αποτέλεσμα: ελάχιστο δικτύωμα PMOS με μόνο ένα τρανζίστορ PMOS ανά λογική είσοδο 16

17 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 1 ος τρόπος 17

18 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 1 ος τρόπος  Για κάθε τόξο στο γράφημα PMOS προσθέτουμε ένα τρανζίστορ στο δικτύωμα μεταγωγής PMOS 18 

19 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 1 ος τρόπος  Αν οι κόμβοι 2 και 3 στο γράφημα PMOS αλλάξουν θέση, λαμβάνουμε τη διπλανή εναλλακτική υλοποίηση 19

20 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Διαστασιολόγηση PMOS δικτυώματος  NMOS  NMOS worst case: δύο MOS σε σειρά, άρα Β, C και D διπλάσια από τον αντιστροφέα αναφοράς  Το Α: ίδιο με αυτό του αντιστροφέα αναφοράς  PMOS  PMOS worst case: τρία MOS σε σειρά, άρα Α, C και D τριπλάσια από τον αντιστροφέα αναφοράς  Για το B: 20

21 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Διαστασιολόγηση PMOS δικτυώματος  Διαστασιολόγηση της εναλλακτικής υλοποίησης 21

22 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Εύρεση του δικτυώματος PMOS – 2 ος τρόπος  Το δικτύωμα PMOS προκύπτει από το δικτύωμα NMOS με διαδοχική εφαρμογή του κανόνα μετασχηματισμού σε σειρά / παράλληλα  Το δικτύωμα NMOS έχει δύο παράλληλους κλάδους: το Α και τα BCD  Άρα το δικτύωμα PMOS έχει δύο δικτυώματα σε σειρά: Το Α σε σειρά με το δικτύωμα των BCD  Στο NMOS είναι B σε σειρά με τον παράλληλο συνδυασμό των C και D  Άρα στο PMOS: Β παράλληλα με τον εν σειρά συνδυασμό των C και D  Όταν υπάρχουν κλάδοι γεφύρωσης προκύπτουν προβλήματα με αυτόν τον τρόπο 22

23 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Παράδειγμα με κλάδο γεφύρωσης  Λογική συνάρτηση:  Οι τοπολογίες NMOS και PMOS σε αυτήν την περίπτωση είναι πανομοιότυπες 23

24 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Παράδειγμα με κλάδο γεφύρωσης  Η διαδρομή στη χειρότερη περίπτωση σε κάθε δίκτυο περιλαμβάνει τρία στοιχεία σε σειρά, επομένως όλα τα τρανζίστορ είναι τριπλάσιου μεγέθους από αυτά του αντιστροφέα αναφοράς 24  Γράφημα PMOS δικτυώματος

25 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η πύλη μετάδοσης CMOS 25 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

26 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η πύλη μετάδοσης CMOS  Χρήση σε αναλογική και ψηφιακή σχεδίαση  Λειτουργία:  Για A=0 και το NMOS και το PMOS είναι off  ανοιχτοκύκλωμα  Για Α=1 η είσοδος και η έξοδος συνδέονται διαμέσου του παράλληλου συνδυασμού των R on των δύο MOS  αμφικατευθυντική ωμική σύνδεση  Κυκλωματικό σύμβολο πύλης μετάδοσης στο σχήμα (c) 26

27 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η R on της πύλης μετάδοσης CMOS σε αγωγή 27 Η Ron συμπεριλαμβανομένου και του φαινόμενου σώματος (V TON =0.75V, V TOP =-0.75V, γ=0.5V 0.5, 2φ F =0.6V, K p =10μΑ/V 2, K n =25μΑ/V 2 ) Η R on μπορεί να ελαττωθεί αυξάνοντας τους λόγους W/L των τρανζίστορ

28 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Pass Transistor Logic (PTL)  Οι διακόπτες του Switch Network μπορούν να υλοποιηθούν είτε ως απλές NMOS πύλες μετάδοσης (δηλαδή μόνο NMOS τρανζίστορ), είτε ως πύλες μετάδοσης CMOS (NMOS και PMOS παράλληλα)  Όχι στατική κατανάλωση ισχύος 28

29 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου AND πύλη 29

30 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου XOR πύλη 30

31 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Multiplexer 31

32 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Master-Slave D Flip-Flop  Χρήση CMOS πυλών μετάδοσης για υλοποίηση Master-Slave D Flip-Flop 32

33 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Ασκήσεις 33 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS

34 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 1 – Εκφώνηση (προς λύση) 34  Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται μια νέα σχεδίαση λογικής πύλης. Να βρείτε τις V OL και V OH για τη σχεδίαση αυτή. (Βοήθημα: Για την V OL, σημειώστε ότι τα ρεύματα απαγωγού των M N και M P πρέπει να είναι ίσα, το ένα στοιχείο θα λειτουργεί στην γραμμική περιοχή, ενώ το άλλο στην περιοχή κορεσμού.)

35 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 2 – Εκφώνηση (προς λύση) 35  Ποια είναι η λογική συνάρτηση που υλοποιείται με την πύλη του διπλανού σχήματος;  Ποιοι είναι λόγοι W/L για τα τρανζίστορ, με βάση τη σχεδίαση του αντιστροφέα αναφοράς του παρακάτω σχήματος;

36 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 3 – Εκφώνηση (προς λύση) 36  Ποια είναι η λογική συνάρτηση που υλοποιείται με την πύλη του παρακάτω σχήματος;  Ποιοι είναι οι λόγοι W/L για τα τρανζίστορ, αν η πύλη πρόκειται να καταναλώσει τριπλάσια ισχύ από τον αντιστροφέα αναφοράς της άσκησης 2;

37 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 4 – Εκφώνηση (προς λύση)  Να σχεδιάσετε μια πύλη με φόρτο τύπου αραίωσης που να υλοποιεί τη λογική συνάρτηση με βάση τη σχεδίαση του αντιστροφέα αναφοράς της άσκησης 2. 37

38 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 5 – Εκφώνηση 38  Ποιά είναι η λογική συνάρτηση που υλοποιείται από την πύλη του διπλανού σχήματος;  Να σχεδιάσετε το δικτύωμα transistor ΝMOS. Να επιλέξετε τα μεγέθη των εξαρτημάτων και για τα transistor NMOS και για τα transistor PMOS, ώστε να πάρετε μία καθυστέρηση παρόμοια με εκείνη ενός αντιστροφέα CMOS.

39 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 5 – Λύση 39  Η συνάρτηση που υλοποιεί η πύλη είναι: Y=((A*B)+(C*D)+(E*F))  Ο λόγος (W/L) N σε ένα αναστροφέα είναι 2. Συνεπώς στην συγκεκριμένη πύλη πρέπει να είναι 2Χ2=4.  Ο λόγος (W/L) P σε ένα αναστροφέα είναι 5. Συνεπώς στην συγκεκριμένη πύλη πρέπει να είναι 5Χ3=15.

40 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 6 – Εκφώνηση 40  Ποιοι είναι οι χρόνοι ανόδου και καθόδου και η μέση καθυστέρηση μετάδοσης στη χειρότερη περίπτωση, για την πύλη CMOS του διπλανού σχήματος, για μία χωρητικότητα φόρτου ίση με 1.25 pF;

41 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 6 – Λύση 41  Στην χειρότερη περίπτωση το ισοδύναμο (W/L) N είναι 2 και το ισοδύναμο (W/L) P είναι 5  Από την εξίσωση 8.14 (Μικροηλεκτρονική, Richard C. Jaeger, σελ.445) έχουμε:

42 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 7 – Εκφώνηση 42  Ποιά είναι η λογική συνάρτηση που υλοποιείται από την πύλη του διπλανού σχήματος;  Να σχεδιάσετε το δικτύωμα transistor PMOS. Να επιλέξετε τα μεγέθη των εξαρτημάτων και για τα transistor NMOS και για τα transistor PMOS, ώστε να πάρετε μία καθυστέρηση παρόμοια με εκείνη ενός αναστροφέα CMOS.

43 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 7 – Λύση 43  Η συνάρτηση που υλοποιεί η πύλη είναι: Y=NOT((A+B)*(C+D)*(E+F))  Ο λόγος (W/L) N σε ένα αναστροφέα είναι 2. Συνεπώς στην συγκεκριμένη πύλη πρέπει να είναι 2Χ3=6.  Ο λόγος (W/L) P σε ένα αναστροφέα είναι 5. Συνεπώς στην συγκεκριμένη πύλη πρέπει να είναι 5Χ2=10.

44 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 8 – Εκφώνηση 44  Να σχεδιάσετε τη CMOS πύλη που υλοποιεί τη συνάρτηση χρησιμοποιώντας τη γραφική μέθοδο X = (A+B)•(C+D)

45 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Άσκηση 8 – Λύση 45 A B C D C A B X = (A+B)•(C+D) B A D C D XV DD X GND AB C PUN PDN D

46 Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Η διάλεξη έγινε στο πλαίσιο του προγράμματος EΠΕΑΕΚ II από το μεταπτυχιακό φοιτητή Παπαμιχαήλ Μιχαήλ για το μάθημα Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου © Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής & Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών


Κατέβασμα ppt "Διάλεξη 11 Πολυσύνθετες πύλες NMOS και CMOS. Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου Δομή της διάλεξης "

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google