ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο 2005 ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Εαρινό Εξάμηνο 2005 Νοε-18 ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο 2005 Κυκλώματα CMOS Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Κυκλώματα CMOS

ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Εαρινό Εξάμηνο 2005 Περίληψη Νοε-18 Κυκλώματα CMOS Τρανζίστορ και μοντέλα διακόπτη Δίκτυα CMOS Δίκτυα σε σειρά Παράλληλα δίκτυα Πλήρως συμπληρωματικά CMOS Αντιστροφέας CMOS CMOS NAND και CMOS NOR Σύνθετες πύλες CMOS Πύλες μετάδοσης CMOS Νοε-18 Κυκλώματα CMOS Κυκλώματα CMOS

Κυκλώματα CMOS Υλοποίηση λογικών πυλών και άλλων δομών χρησιμοποιώντας τεχνολογία CMOS. Βασικό στοιχείο: τρανζίστορ Υπάρχουν 2 τύποι τρανζίστορ: n-κανάλι (n-channel): τρανζίστορ nMOS p-κανάλι (p-channel): τρανζίστορ pMOS Ο τύπος εξαρτάται από τα υλικά του ημιαγωγού που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του τρανζίστορ (πέραν των στόχων του μαθήματος…). Μοντελοποιούμε την συμπεριφορά του τρανζίστορ σε λογικό επίπεδο για να μπορέσουμε να μελετήσουμε την συμπεριφορά κυκλωμάτων CMOS  Θεωρούμε τα τρανζίστορ pMOS και nMOS ως διακόπτες. Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Τρανζίστορ CMOS ως διακόπτες 3 άκρα (terminals) στα τρανζίστορ CMOS: G: Πύλη (Gate) D: Ακροδέκτης MOSFET (Drain) S: Πηγή (Source) nMOS τρανζίστορ/διακόπτης X=1, διακόπτης κλείνει (ON) X=0, διακόπτης ανοίγει (OFF) pMOS τρανζίστορ/διακόπτης X=0, διακόπτης κλείνει (ON) X=1, διακόπτης ανοίγει (OFF) Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα από διακόπτες Xχρησιμοποιούμε διακόπτες για την δημιουργία δικτύων που αναπαριστάνουν λογικά κυκλώματα CMOS. Για να υλοποιήσουμε μια συνάρτηση F, δημιουργούμε ένα δίκτυο έτσι ώστε υπάρχει ένα μονοπάτι δια μέσω του δικτύου όταν το F=1, και δεν υπάρχει όταν το F=0. Δύο βασικές δομές: Τρανζίστορ σε σειρά Παράλληλα τρανζίστορ Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Τρανζίστορ σε Σειρά/Παράλληλα nMOS σε σειρά παράλληλο nMOS a a υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν Χ και Y είναι 1  X•Y a a υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 1  X+Y X X:X X Y X:X Y:Y Y Y:Y b b b b παράλληλο pMOS pMOS σε σειρά a a a a υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν το Χ και Y είναι 0  X’•Y’ υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 0  X’+Y’ X X:X’ X Y X:X’ Y:Y’ Y Y:Y’ b b b b Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα από διακόπτες (συν.) Γενικά: Το nMOS σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη AND Το pMOS σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη NOR Το παράλληλο nMOS υλοποιεί την λογική πύλη OR Το παράλληλο pMOS υλοποιεί την λογική πύλη NAND Παρατηρήστε ότι: Το 1 είναι ο δυϊσμός του 3, και αντίστροφα Το 2 είναι ο δυϊσμός του 4, και αντίστροφα Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Το κάθε ένα από τα δύο υπό-δίκτυα υλοποιεί τη συνάρτηση δυϊσμού του άλλου. Στατική CMOS (static CMOS): υλοποιεί την F() (όλους τους συνδυασμούς που δίνουν 1) και το συμπλήρωμά της F’() (όλους τους συνδυασμούς που δίνουν 0). Υπάρχει πάντα ένα μονοπάτι μέσω στην έξοδο (F), είτε από την πηγή +V (λογικό 1) είτε από τη γείωση (λογικό 0). Pull-up δίκτυο (τραβά από +V) Pull-down δίκτυο (τραβά από GRD) Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Παράδειγμα -- Αντιστροφέας X F = X’ +V GRD F = X’ X Λογικό σύμβολο Σχηματικό σε επίπεδο τρανζίστορ Λειτουργία: X=1  διακόπτης nMOS κλείνει (pMOS παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το GRD  F = 0 X=0  διακόπτης pMOS κλείνει (nMOS παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το +V  F = 1 Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Βασικές Πύλες (NOR, NAND, NOT) Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα CMOS Γιατί τα δίκτυα pMOS είναι συνδεδεμένα στο +V και τα nMOS στο GRD? Τα στοιχεία pMOS είναι σχεδόν ιδεώδες όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η) και αδύνατα όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση (L). Τα στοιχεία nMOS είναι σχεδόν ιδεώδες όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση και αδύνατα όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η). Η δομή του CMOS εξασφαλίζει ότι οι τιμές των σημάτων παραμένουν στα κατάλληλα υψηλά και χαμηλά λογικά επίπεδα, όταν μεταδίδονται δια μέσω του δικτύου και φθάνουν στην έξοδο. Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες (Complex Gates) Δεδομένης μιας συνάρτησης F(): Βρείτε και απλοποιήστε το F’(). Βεβαιωθείτε ότι θα προχωρήσετε μέχρι που τα συμπληρώματα να φτάσουν στο επίπεδο παραγόντων (literal). Υλοποιήστε την F’() σαν ένα nMOS δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το GRD και το F()  δίκτυο pull-down Βρείτε το δυϊσμό του F’() και υλοποιήστε το σαν ένα pMOS δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το +V και το F()  δίκτυο pull-up Συνδέστε τις εισόδους σε κάθε ένα από τα δίκτυα pull-up και pull-down. Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS σύνθετες πύλες - Παράδειγμα F = AB’+AC+BC’ Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

CMOS Πύλη Mετάδοσης Νοε-18 Κυκλώματα CMOS

MUX 2-εισόδων και XOR με CMOS πύλες μετάδοσης ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Εαρινό Εξάμηνο 2005 Νοε-18 MUX 2-εισόδων και XOR με CMOS πύλες μετάδοσης MUX (=multiplexer) = Πολυπλέκτης: Επιλέγει να περάσει την τιμή σε μία από τις εισόδους βάση της τιμής του C Νοε-18 Κυκλώματα CMOS Κυκλώματα CMOS