ΗΜΥ 210: Λογικός Σχεδιασμός, Χειμερινό Εξάμηνο 2008

Transcript

1 ΗΜΥ-210: Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων Χειμερινό Εξάμηνο 2009 Κυκλώματα CMOS Διδάσκουσα: Μαρία Κ. Μιχαήλ Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Κυκλώματα CMOS Περίληψη Τρανζίστορ και μοντέλα διακόπτη ίκτυα CMOS ίκτυα σε σειρά Παράλληλα δίκτυα Πλήρως συμπληρωματικά CMOS Αντιστροφέας CMOS CMOS NAND και CMOS NOR Σύνθετες πύλες CMOS Πύλες μετάδοσης CMOS CMOS Three-state Buffer MKM - 2 Κυκλώματα CMOS 1

2

3 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) MKM - 5 ίκτυα 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. ύο βασικές δομές: Τρανζίστορ σε σειρά Παράλληλα τρανζίστορ MKM - 6 Κυκλώματα CMOS 3

4 Τρανζίστορ σε Σειρά/Παράλληλα nmos σε σειρά a a X X:X Y Y:Y b b υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν Χ και Y είναι 1 X Y παράλληλο nmos υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 1 X+Y a a X Y X:X Y:Y b b pmos σε σειρά a a X X:X Y Y:Y b b υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν το Χ και Y είναι 0 X Y παράλληλο pmos a a X Y X:X Y:Y b b υπάρχει μονοπά- τι μεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 0 X +Y MKM - 7 ίκτυα διακόπτων (συν.) Γενικά: 1. Το nmos σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη AND 2. Το pmos σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη NOR 3. Το παράλληλο nmos υλοποιεί την λογική πύλη OR 4. 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 MKM - 8 Κυκλώματα CMOS 4

5 Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Κάθε πλήρως συμπληρωματικό δίκτυο CMOS ακολουθεί τη δομή στα δεξιά. Το κάθε ένα από τα δύο υπo- 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 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) MKM - 9 Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Παράδειγμα -- Αντιστροφέας +V X F = X X F = X Λογικό σύμβολο GRD 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 MKM - 10 Κυκλώματα CMOS 5

6 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Βασικές Πύλες (NOR, NAND, NOT) MKM - 11 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. MKM - 12 Κυκλώματα CMOS 6

7 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες (Complex Gates) εδομένης μιας συνάρτησης F(): 1. Βρείτε και απλοποιήστε την F (). Βεβαιωθείτε Ββ θί ότι θα προχωρήσετε μέχρι που τα συμπληρώματα να φτάσουν στο επίπεδο παραγόντων (literal). 2. Υλοποιήστε την F () σαν ένα nmos δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το GRD και την έξοδο F() δίκτυο pull-down 3. 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 up 4. Συνδέστε τις εισόδους σε κάθε ένα από τα δίκτυα pull- up και pull-down. MKM - 13 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες - Παράδειγμα F = AB +AC+BC MKM - 14 Κυκλώματα CMOS 7

8 Πύλη Μετάδοσης CMOS MKM - 15 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 MKM - 16 Κυκλώματα CMOS 8