Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 2

Transcript

1 1 η Θεµατική Ενότητα : Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS Επιµέλεια διαφανειών:. Μπακάλης Εισαγωγή Τεχνολογία CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor Συµπληρωµατικού Ηµιαγωγού Μετάλλου Οξειδίου Αποτελείται από στοιχεία n-mos και p-mos. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 2

2 Ιστορική Αναδροµή [Lilienfeld 1925, Heil, 1935]: τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistor). [1960]: επίπεδη επεξεργασία πυριτίου. [Weimer 1962, Wanlass 1963]: τεχνολογία και κυκλώµατα CMOS. [1967]: τρανζίστορ p-mos. [1971]: τεχνολογία πυριτίου n-mos. Η απαίτηση για κυκλώµατα χαµηλής κατανάλωσης ισχύος οδήγησε στην συνεχώς αυξανόµενη χρήση της τεχνολογίας CMOS. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 3 Τρανζίστορ MOS Το πυρίτιο ως ηµιαγωγός αποτελεί το βασικό υλικό για την υλοποίηση µιας µεγάλης κατηγορίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Μια δοµή MOS δηµιουργείται από την υπέρθεση πολλαπλών στρωµάτων αγώγιµων και µονωτικών υλικών. Η τεχνολογία CMOS χρησιµοποιεί δύο τύπους τρανζίστορ, το n-mos και το p-mos. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 4

3 Τρανζίστορ n-mos Η πύλη (gate) ελέγχει τη ροή ρεύµατος µεταξύ πηγής (source) και υποδοχής (drain). Η πηγή και η υποδοχή είναι συµµετρικοί ακροδέκτες. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 5 Τρανζίστορ p-mos Η πύλη (gate) ελέγχει τη ροή ρεύµατος µεταξύ πηγής (source) και υποδοχής (drain). Η πηγή και η υποδοχή είναι συµµετρικοί ακροδέκτες. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 6

4 ιακόπτες µε τρανζίστορ MOS Το τρανζίστορ MOS µπορεί να θεωρηθεί ως απλός διακόπτης που ανοίγει και κλείνει. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 7 Συµπληρωµατικός ιακόπτης (ή Πύλη µετάδοσης) Τα σήµατα 0 και 1 περνούν µε αποδεκτό τρόπο. Απαιτεί λογική δύο δρόµων (dual-rail logic). Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 8

5 CMOS Αντιστροφέας Ο πίνακας αλήθειας του αντιστροφέα υπονοεί ένα p-mos διακόπτη που συνδέει την τροφοδοσία µε την έξοδο και ένα n-mos διακόπτη που συνδέει την γείωση µε την έξοδο. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 9 Συµπληρωµατική Πύλη CMOS Μια πλήρης συµπληρωµατική πύλη CMOS αποτελείται πάντοτε από: ένα δίκτυο n-mos διακοπτών (οδηγός «κάτω» ή pull-down) που συνδέει την έξοδο µε το 0 (V SS ) και ένα δίκτυο p-mos διακοπτών (οδηγός «πάνω» ή pull-up) που συνδέει την έξοδο µε το 1 (V DD ). Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 10

6 Συνδυαστική Λογική Συνδυάζοντας σε σειρά και παράλληλα n και p διακόπτες προκύπτουν οι γνωστές συνδυαστικές συναρτήσεις. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 11 Συνδυαστική Λογική Συνδυάζοντας σε σειρά και παράλληλα n και p διακόπτες προκύπτουν οι γνωστές συνδυαστικές συναρτήσεις. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 12

7 Η πύλη NAND Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 13 Η πύλη NAND Εισάγοντας περισσότερα τρανζίστορ παράλληλα και σε σειρά δηµιουργούµε πύλες µε µεγαλύτερο αριθµό εισόδων. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 14

8 Η πύλη NOR Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 15 Η πύλη NOR Οι συνδυασµοί των n-mos και p-mos διακοπτών είναι δυϊκοί των αντίστοιχων συνδυασµών της πύλης NAND. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 16

9 Σύνθετες πύλες F = (A B) + (C D) Τα τρανζίστορ στις πύλες CMOS δεν χρειάζονται συγκεκριµένες διαστάσεις για να λειτουργήσουν σωστά (nonratioed). εν υπάρχει ποτέ αγώγιµο µονοπάτι από την τροφοδοσία στη γείωση και εποµένως η κατανάλωση ισχύος είναι πολύ µικρή. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 17 Σύνθετες πύλες (2) F = (A + B + C) D Οι πύλες CMOS µπορούν να υλοποιηθούν µε την ανάλυση των χαρτών Karnough για τις n- και p- λογικές δοµές και τη δηµιουργία των απαιτούµενων συνδυασµών τρανζίστορ σε σειρά και παράλληλα. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 18

10 Πολυπλέκτες Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 19 Μανδαλωτής (Latch) Μανδαλωτής ευαίσθητος σε στάθµη Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 20

11 Καταχωρητής (D flip-flop) Θετικά ακµοπυροδότητος καταχωρητής CMOS Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 21 Χαρακτηριστικά τεχνολογίας CMOS Γενικά η τεχνολογία CMOS παρουσιάζει την υψηλότερη πυκνότητα ολοκλήρωσης και την χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος ανά πύλη. Στάθµες πλήρους αποκαταστάσιµης λογικής (έξοδος στο V dd ή V ss ). Οι χρόνοι ανόδου/καθόδου είναι της ίδιας τάξης. Μεγάλη πυκνότητα ολοκλήρωσης και χαµηλή κατανάλωση µνηµών. Σωστή µετάδοση και των δύο λογικών σταθµών (0, 1) απο πύλες µετάδοσης (πολυπλέκτες, µανταλωτές, καταχωρητές). Μηδενική στατική κατανάλωση ισχύος (πλήρης συµπληρωµατικότητα). Πυκνότητα πακεταρίσµατος. Κανονικές και εύκολα αυτοµατοποιήσιµες φυσικές σχεδιάσεις. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 22

12 Περιγραφές κυκλώµατος και συστήµατος Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 23 Περιγραφές κυκλώµατος και συστήµατος Πεδίο συµπεριφοράς (behavioral): προσδιορίζει τη συγκεκριµένη λειτουργία του συστήµατος. οµικό πεδίο (structural): προσδιορίζει τον τρόπο µε τον οποίο είναι συνδεδεµένα τα διάφορα τµήµατα του κυκλώµατος. Φυσικό πεδίο (physical): προσδιορίζει τον τρόπο µε τον οποίο κτίζεται πραγµατικά κάθε τµήµα του συστήµατος. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 24

13 Περιγραφές κυκλώµατος και συστήµατος Κάθε πεδίο σχεδιασµού µπορεί να προσδιοριστεί από µία ποικιλία επιπέδων αφαίρεσης: αρχιτεκτονικό αλγοριθµικό λειτουργικό λογικό διακοπτικό κυκλωµατικό Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 25 Περιγραφή συµπεριφοράς Η περιγραφή συµπεριφοράς προσδιορίζει τον τρόπο µε τον οποίο µια συγκεκριµένη σχεδίαση θα πρέπει να αποκριθεί σε ένα δεδοµένο σύνολο εισόδων. Η συµπεριφορά ενός συστήµατος µπορεί να περιγραφεί είτε από εξισώσεις Boole, είτε από πίνακες αλήθειας είτε από αλγορίθµους γραµµένους σε γλώσσες προγραµµατισµού υψηλού επιπέδου ή γλώσσες περιγραφής υλικού: Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 26

14 Περιγραφή συµπεριφοράς If (d < 0) d = d + a; else d = d + b; S = AB C + A BC + A B C + ABC CO = AB + AC + BC module carry (co, a, b, c); output co; input a, b, c; assign co = (a&b) (a&c) (b&c); endmodule A B C CO S Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 27 οµική περιγραφή Η δοµική περιγραφή προσδιορίζει τον τρόπο µε τον οποίο είναι συνδεδεµένα τα διάφορα στοιχεία ούτως ώστε να υλοποιήσουν µια συγκεκριµένη συνάρτηση ή να επιτύχουν µια προκαθορισµένη συµπεριφορά. Όσον αφορά το δοµικό πεδίο, τα επίπεδα αφαίρεσης περιλαµβάνουν το επίπεδο δοµικής µονάδας (module level), το επίπεδο πύλης (gate level), το διακοπτικό επίπεδο (switch level) και το επίπεδο κυκλώµατος (circuit level). Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 28

15 οµική περιγραφή module add4 (s, c4, ci, a, b); input [3:0] a, b; input ci; output [3:0] s; output c4; wire [2:0] co; add a0 (co[0], s[0], a[0], b[0], ci); add a1 (co[1], s[1], a[1], b[1], co[0]); add a2 (co[2], s[2], a[2], b[2], co[1]); add a3 (c4, s[3], a[3], b[3], co[2]); endmodule module add (co, s, a, b, c); input a, b, c; output s, co; sum s1 (s, a, b, c); carry c1 (co, a, b, c); endmodule module carry (co, a, b, c); input a, b, c; output co; wire x, y, z; and g1 (x, a, b); and g2 (y, a, c); and g3 (z, b, c); or g4 (co, x, y, z); endmodule Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 29 οµική περιγραφή Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 30

16 Φυσική περιγραφή Η φυσική περιγραφή ενός κυκλώµατος χρησιµοποιείται για να προσδιοριστεί ο τρόπος µε τον οποίο θα κατασκευαστεί ένα συγκεκριµένο τµήµα έτσι ώστε να δώσει τη συγκεκριµένη δοµή και άρα την επιθυµητή συµπεριφορά. Και στο φυσικό πεδίο µπορούν να οριστούν πολλά επίπεδα αφαίρεσης για τη φυσική περιγραφή του ολοκληρωµένου. Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 31 Φυσική περιγραφή Εισαγωγή στα κυκλώµατα CMOS 32