ΗΜΥ 210: Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων Χειμερινό Εξάμηνο 2009 ΗΜΥ 210: Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων Χειμερινό Εξάμηνο 2009 Απρ-17 ΗΜΥ-210: Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων Κυκλώματα CMOS Διδάσκουσα: Μαρία Κ. Μιχαήλ Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Κυκλώματα CMOS

ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Περίληψη Απρ-17 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 CMOS Three-state Buffer Απρ-17 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 τη συμπεριφορά κυκλωμάτων CMOS  Θεωρούμε τα τρανζίστορ pMOS και nMOS ως διακόπτες. Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

nMOS FET (Field-Effect Transistor) Απρ-17 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) Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα διακόπτων Χρησιμοποιούμε διακόπτες για τη δημιουργία δικτύων που αναπαριστάνουν λογικά κυκλώματα CMOS. Για να υλοποιήσουμε μια συνάρτηση F, δημιουργούμε ένα δίκτυο έτσι ώστε να υπάρχει ένα μονοπάτι δια μέσου του δικτύου όταν το F = 1, και να μην υπάρχει όταν το F = 0. Δύο βασικές δομές: Τρανζίστορ σε σειρά Παράλληλα τρανζίστορ Απρ-17 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 Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα διακόπτων (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 Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS 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 που οδηγεί στην έξοδο (F), είτε από την πηγή +V (λογικό 1) είτε από τη γείωση (λογικό 0). Γιατί; Pull-up δίκτυο (τραβά από +V) Pull-down δίκτυο (τραβά από GRD) Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Παράδειγμα -- Αντιστροφέας X F = X’ +V GRD F = X’ X Λογικό σύμβολο Σχηματικό σε επίπεδο τρανζίστορ Λειτουργία: X=1  ο διακόπτης nMOS κλείνει (pMOS παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το GRD  F = 0 X=0  ο διακόπτης pMOS κλείνει (nMOS παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το +V  F = 1 Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Βασικές Πύλες (NOR, NAND, NOT) Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα CMOS Γιατί τα δίκτυα pMOS είναι συνδεδεμένα στο +V και τα nMOS στο GRD? Τα στοιχεία pMOS είναι σχεδόν ιδανικά όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η) και αδύνατα όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση (L). Τα στοιχεία nMOS είναι σχεδόν ιδανικά όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση και αδύνατα όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η). Η δομή του CMOS εξασφαλίζει την παραμονή των τιμών των διαφόρων σημάτων στα κατάλληλα υψηλά και χαμηλά λογικά επίπεδα, όταν μεταδίδονται δια μέσω του δικτύου και φθάνουν στην έξοδο. Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες (Complex Gates) Δεδομένης μιας συνάρτησης F(): Βρείτε και απλοποιήστε την 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 την έξοδο F()  δίκτυο pull-down Βρείτε το δυϊσμό της F’(), υλοποιήστε την ως ένα pMOS δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το +V και την έξοδο F()  δίκτυο pull-up Συνδέστε τις εισόδους σε κάθε ένα από τα δίκτυα pull-up και pull-down. Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες - Παράδειγμα F = AB’+AC+BC’ Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

Πύλη Μετάδοσης CMOS Απρ-17 Κυκλώματα CMOS

MUX 2-εισόδων και XOR με πύλες μετάδοσης CMOS ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Απρ-17 MUX 2-εισόδων και XOR με πύλες μετάδοσης CMOS MUX (= multiplexer) = Πολυπλέκτης: Επιλέγει να περάσει την τιμή μίας από τις εισόδους βάση της τιμής του C Απρ-17 Κυκλώματα CMOS Κυκλώματα CMOS