Τ. Ε. Ι. Κεντρικής Μακεδονίας - Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ. Ε Τ.Ε.Ι. Κεντρικής Μακεδονίας - Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Εισαγωγή στην τεχνολογία CMOS. Σχεδίαση απλών λογικών κυκλωμάτων και ανάπτυξη μοντέλων για προσομοίωση των κυκλωμάτων με χρήση του προγράμματος SPICE. Σπουδαστής: Λιοδάκης Μάριος, Α.Μ. 1766 Επιβλέπων: Δρ. Αρπατζάνης Νικόλαος, Επιστημονικός Συνεργάτης

Τεχνολογία CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Kυρίαρχη τεχνολογία για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων όπως μικροεπεξεργαστές, μνήμες καθώς και άλλα ψηφιακά λογικά κυκλώματα. Προσφέρει χαμηλό κόστος υψηλή απόδοση Σημαντικά χαρακτηριστικά υψηλή ανοσία στο θόρυβο χαμηλή στατική κατανάλωση ισχύος. MOS-FET. Τα πρώτα τρία αρχικά (MOS) συμβολίζουν την σειρά των υλικών που το συνθέτουν και αυτά είναι: Metal Οxid Silicon και (FET - Field Effect Transistor) είναι το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου, δηλαδή το πεδίο που αναπτύσσεται μεταξύ δυο κόμβων και επιτρέπει την αγωγιμότητα σε αυτό.

Η μορφή ενός n-MOSFET Το μέταλλο βρίσκεται στην κορυφή του τρανζίστορ και χρησιμοποιείται ως ο ακροδέκτης gate (πύλη) . Κάτω από τη πύλη βρίσκεται ένα σχετικά λεπτό στρώμα μονωτή (ιinsulator) από οξειδίου του πυριτίου (Si2O5) το οποίο είναι ένα υλικό με εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες. Τέλος βλέπουμε το υπόστρωμα του ημιαγωγού (substrate semiconductor) που είναι νοθευμένος κατά n παρουσιάζοντας περίσσεια ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του. Εσωτερικά του ημιαγωγού τοποθετούνται δύο περιοχές εμπλουτισμένες με φορείς πλειονότητας αντίθετου τύπου και συνθέτουν τους ακροδέκτες της πηγής(source) και της υποδοχής(drain) δημιουργώντας μεταξύ τους ένα πεδίο.

Η συμπεριφορά του MOSFET σε διαφορετικές συνθήκες πόλωσης (Α)-(Β) Όλοι οι ακροδέκτες του τρανζίστορ βρίσκονται σε μηδενικό δυναμικό, οπότε, το τρανζίστορ βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας και δεν διοχετεύεται ρεύμα μεταξύ τους. (Γ) –(Δ) Η πύλη του τρανζίστορ συνδέεται σε θετικό δυναμικό και η τιμή του κυμαίνεται από 0<VGS<VT όπου VT ονομάζεται τάση κατωφλίου (Threshold voltage). Στην κατάσταση αυτή το ρεύμα του απαγωγού είναι μηδενικό.

Η συμπεριφορά του MOSFET σε διαφορετικές συνθήκες πόλωσης (συνέχεια) (Ε)-(ΣΤ) Όταν το δυναμικό της πύλης ξεπεράσει τη τιμή, VGS>VT στη περιοχή του υποστρώματος ρέει ρεύμα λόγω της διαφοράς δυναμικού μεταξύ του απαγωγού και της πηγής. Το ρεύμα ID μέσα στο δίαυλο μεταβάλλεται σχεδόν γραμμικά με την τάση VDS. Στην περίπτωση αυτή το τρανζίστορ λειτουργεί στην ωμική του περιοχή. (Ζ)-(Η) Για συγκεκριμένη τιμή της VGS υπάρχει μια οριακή τιμή της VDS, VDS = VGS - VT όπου το ρεύμα παραμένει σχεδόν σταθερό ανεξάρτητα από την τάση του απαγωγού και λέμε ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην περιοχή του κόρου ( saturation region).

Σημαντικές παράμετροι/εξισώσεις ΤΑΣΗ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ: Η ελάχιστη τάση που πρέπει να εφαρμοστεί μεταξύ πύλης και πηγής για να συντελεστεί η αναστροφή των φορέων ονομάζεται τάση κατωφλίου και συνδέεται με την έναρξη της ισχυρής αναστροφής. Ορίζεται από τη σχέση: όπου με VT0 συμβολίζεται η τάση κατωφλίου όταν VSB = 0V και με Φf συμβολίζεται το δυναμικό Fermi του ημιαγωγού. Η χαρακτηριστική καμπύλη της τάσης κατωφλίου.

ΡΕΥΜΑ Η εξίσωση του ρεύματος που ρέει μέσα στο κύκλωμα υπολογίζεται από τη σχέση Αν τώρα διαχωρίσουμε τους όρους του ρεύματος σε δύο συνιστώσες όπου η μία σχετίζεται με τον ακροδέκτη source και ονομάζεται forward ρεύμα, και η δεύτερη σχετίζεται με τον drain και ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα (reverse current) θα έχουμε: Ανάλυση του ρεύματος ως προς τη τάση στον ακροδέκτη drain. Το όριο VDB = Vp όπου αποτελεί σύνορο μεταξύ των περιοχών γραμμικής λειτουργίας (linear operation) και κορεσμού (saturation).

Πρόγραμμα προσομοίωσης SPICE Σχεδιασμός ηλεκτρονικών συστημάτων θεμελιώδης διαδικασία κατά την οποία συνδυάζει ηλεκτρονικά στοιχεία και διατάξεις για να επιτελέσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία Η προσομοίωση αφορά στην πλήρη ανάλυση του κυκλώματος υπό συγκεκριμένες συνθήκες και εισόδους, για να διαπιστωθεί αν αυτό συμπεριφέρεται σύμφωνα με τους στόχους που έχουν τεθεί αρχικά. Τα σημαντικότερα στοιχεία που χρησιμοποιούμε στο Spice φαίνονται στο διπλανό πίνακα.

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ SPICE O χρήστης του SPICE ακολουθεί την παρακάτω διαδικασία: α) Δημιουργεί ένα αρχείο εισόδου (source file) στο οποίο περιγράφει το κύκλωμα για το οποίο θα γίνει ανάλυση ή προσομοίωση. Περιέχει εντολές δεδομένων, εντολές ελέγχου και εντολές εξόδου. β) Εισάγει αυτό το αρχείο στο πρόγραμμα το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί το αρχείο εξόδου. Εδώ βρίσκεται η περιγραφή του κυκλώματος καθώς και η εκτύπωση των αποτελεσμάτων και των γραφικών παραστάσεων που έχουν ζητηθεί στο αρχείο εισόδου. γ) Δίνει εντολή να τυπωθεί το αρχείο εξόδου και αν απαιτείται κατασκευάζει διαγράμματα χρησιμοποιώντας αποτελέσματα του αρχείου αυτού.

Παράδειγμα για το κύκλωμα ενός NMOSFET

Παράδειγμα για το κύκλωμα ενός NMOSFET (συνέχεια) Εφόσον ολοκληρωθεί η διαδικασία της εισαγωγής του κυκλώματος, μπορούμε να αλλάξουμε τις παραμέτρους των MOSFET μοντέλων και να βγάλουμε συμπεράσματα για την εξάρτηση που υπάρχει μεταξύ των παραμέτρων και των αποτελεσμάτων που εμφανίζονται στην οθόνη. Παρακάτω ακολουθούν οι χαρακτηριστικές παραστάσεις I-V μεταβάλλοντας κάθε φορά το μήκος ή το πλάτος του καναλιού, σε σχέση με την επίδραση που προκαλείτε στο ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα.

Παράδειγμα για το κύκλωμα ενός NMOSFET (συνέχεια_2)

Παράδειγμα για το κύκλωμα ενός NMOSFET (συνέχεια_3) Συμπεράσματα όσο μεταβάλουμε τις παραμέτρους στο NMOS κύκλωμα, αναλόγως μεταβάλλονται και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Παρατηρείται η μεταβολή του ρεύματος όταν αλλάζουμε το μήκος ή το πλάτος του καναλιού και η άμεση εξάρτηση τους. Όταν κρατάμε σταθερό το μήκος και αυξάνουμε το πλάτος, τόσο αυξάνει και το ρεύμα που διοχετεύεται στο κύκλωμα. Όταν κρατάμε σταθερό το πλάτος και αυξήσουμε το μήκος του καναλιού, η τιμή του ρεύματος μεταβάλλεται αντίστροφος ανάλογα, δηλαδή όσο αυξάνεται το μήκος τόσο λιγότερο ρεύμα περνάει από αυτό καθώς κάνει περισσότερη ώρα να το διανύσει.

Σχεδίαση απλών λογικών κυκλωμάτων Kύκλωμα υλοποίησης της πύλης ΝΟΤ: Η πύλη ΝΟΤ εκτελεί την πράξη της αντιστροφής. Το λογικό της σύμβολο φαίνεται παρακάτω σχήμα. Έχει μια είσοδο και μία έξοδο. Η λειτουργία της πύλης ΝΟΤ περιγράφεται από τον παρακάτω πίνακα αλήθειας. Η πύλη αντιστρέφει την τιμή της εισόδου και ισχύει: Εξομοίωση της πύλης NOT: Σχεδιάζουμε στο Schematics το κύκλωμα της πύλης not όπως φαίνεται παρακάτω με αποτέλεσμα να παραχθεί ο κώδικας που ακολουθεί NOT

Έχοντας ορίσει σωστά τις παραμέτρους, τις συνδεσμολογίες, τις πηγές τάσης και όλα τα στοιχεία που θέλουμε, τρέχουμε το κύκλωμα μας, με αποτελέσματα το γράφημα που προκύπτει για την τάση στην έξοδο της πύλης να είναι:

Κύκλωμα υλοποίησης της πύλης ΝAND: Ένα άλλο σημαντικό κύκλωμα είναι αυτό της πύλης NAND. Ο πίνακας υλοποίησης της και το σύμβολο φαίνονται παρακάτω. Εξομοίωση της πύλης NAND : Σχεδιάσουμε στο Schematics το κύκλωμα της πύλης Nand όπως φαίνεται παρακάτω και ο κώδικας υλοποίησης του κυκλώματος που παράγεται είναι: NAND

Έχοντας επιλέξει να εμφανίσουμε τις δύο τάσεις εισόδου και την τελική τάση που έχει η πύλη nand, θα εμφανιστεί στην οθόνη μας το παρακάτω γράφημα:

Κύκλωμα υλοποίησης της πύλης AND: Η πύλη AND εκτελεί την λογική πράξη ΚΑΙ. Η λειτουργία της πύλης και το σύμβολο της φαίνονται παρακάτω Εξομοίωση της πύλης AND : Σχεδιάσουμε στο Schematics το κύκλωμα της πύλης Αnd όπως φαίνεται παρακάτω και ο κώδικας υλοποίησης του κυκλώματος που παράγεται είναι: AND

Έχοντας επιλέξει να εμφανίσουμε τις δύο τάσεις εισόδου και την τελική τάση που έχει η πύλη and, θα εμφανιστεί στην οθόνη μας το παρακάτω γράφημα:

Κύκλωμα υλοποίησης της πύλης ΝOR: Το επόμενο βασικό κύκλωμα που θα ασχοληθούμε είναι αυτό της πύλης NOR. Ο πίνακας υλοποίησης της και το σύμβολο φαίνονται παρακάτω. Εξομοίωση της πύλης NOR : Σχεδιάσουμε στο Schematics το κύκλωμα της πύλης Nor όπως φαίνεται παρακάτω και ο κώδικας υλοποίησης του κυκλώματος που παράγεται είναι: NOR

Έχοντας επιλέξει να εμφανίσουμε τις δύο τάσεις εισόδου και την τελική τάση που έχει η πύλη nor, θα εμφανιστεί στην οθόνη μας το παρακάτω γράφημα:

Κύκλωμα υλοποίησης της πύλης OR: Το επόμενο βασικό κύκλωμα που θα ασχοληθούμε είναι αυτό της πύλης OR. Ο πίνακας υλοποίησης της και το σύμβολο φαίνονται παρακάτω. Εξομοίωση της πύλης OR : Σχεδιάσουμε στο Schematics το κύκλωμα της πύλης Nor όπως φαίνεται παρακάτω και ο κώδικας υλοποίησης του κυκλώματος που παράγεται είναι: OR

Έχοντας επιλέξει να εμφανίσουμε τις δύο τάσεις εισόδου και την τελική τάση που έχει η πύλη nor, θα εμφανιστεί στην οθόνη μας το παρακάτω γράφημα:

Ευχαριστώ για τη προσοχή σας

Λιοδάκης Μάριος- Πτυχιακή εργασία Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Ν. Αρπατζάνη για τις παρατηρήσεις, τα σχόλια και τις επισημάνσεις του που βοήθησαν δραστικά στην εκπόνηση αυτής της εργασίας. Λιοδάκης Μάριος- Πτυχιακή εργασία