4/10/2008. Στατικές πύλες CMOS και πύλες με τρανζίστορ διέλευσης. Πραγματικά τρανζίστορ. Ψηφιακή λειτουργία. Κανόνες ψηφιακής λειτουργίας

Transcript

1 2 η διάλεξη 25 Σεπτεμβρίου Πραγματικά τρανζίστορ Στατικές πύλες CMOS και πύλες με τρανζίστορ διέλευσης Γιώργος Δημητρακόπουλος Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Η τάση στο gate του τρανζίστορ καθορίζει το ρεύμα που κυλάει μεταξύ source και drain.στο σχήμα φαίνονται οι καμπύλες ρεύματος τάσης (Λεπτομέρειες σε επόμενα μαθήματα) Φαίνεται περίπλοκη η ανάλυση... Το τρανζίστορ ΑΓΕΙ : Vgs > Vt ΔΕΝ ΑΓΕΙ: Vgs < Vt Vt η τάση κατωφλίου Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 1 Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 2 Ψηφιακή λειτουργία Αντί να ανησυχούμε για τις ακριβείς τιμές των τάσεων στους ακροδέκτες του τρανζίστορ θεωρούμε ότι οι τάσεις κινούνται αποκλειστικά και μόνο σε δύο περιοχές η μία εκ των οποίων αναπαριστά το λογικό 1 και η άλλη το λογικό 0. Επομένως η έξοδος οποιουδήποτε κυκλώματος μπορεί να υπολογιστεί μόνο για τις δύο αυτές διακριτές τάσεις της εισόδου Πιο απλό απ ότι στη γενική περίπτωση Μπορούμε να μοντελοποιήσουμε το τρανζίστορ σαν να συμπεριφέρεται σε δύο καταστάσεις, ΑΓΕΙ ΔΕΝ ΑΓΕΙ Πρέπει να εξασφαλίσουμε ότι η έξοδος κινείται μέσα σε συγκεκριμένο εύρος τάσεων (Vdd και Gnd) και οτι ακολουθεί τις ψηφιακές τιμές που ορίσαμε Κανόνες ψηφιακής λειτουργίας Χώρισε το εύρος των τάσεων σε διακριτές περιοχές Λογικό 0 Λογικό 1 X μεταξύ 0 και 1 Εκτός ορίων Προσοχή μπορεί να καταστρέψει τα τρανζίστορ Κάθε λογική πύλη έχει σαν σκοπό να επαναφέρει την έξοδο της στο λογικό 0 ή 1. Τότε: Θόρυβος εξόδου < Θόρυβος εισόδου Ο Θόρυβος δεν είναι αθροιστικός Ουσιαστικά μετριάζεται Περιθώριο θορύβου Πόσος θόρυβος δεν θα αλλάξει την έξοδο σε λανθασμένη τιμή Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 3 Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 4 Το τρανζίστορ σαν διακόπτης Ορισμοί Ουσιαστικά και το drain και το source είναι συμμετρικοί ακροδέκτες και έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες. Η διαφοροποίηση στο όνομα τους προκύπτει από μια απλή σύμβαση. Ονομάζουμε source τον ακροδέκτη με το χαμηλότερο δυναμικό Η τάση στο gate καθορίζει τη σύνδεση μεταξύ source και drain Το λογικό 1 αναφέρεται στην τάση Vdd, ενώ το λογικό 0 στο Gnd Το NMOS τρανζίστορ συμπεριφέρεται ως εξής: G = 1 Το drain D και το source S συνδέονται (το τρανζίστορ ΑΓΕΙ) G = 0 Το drain D και source S είναι ασύνδετα (το τρανζίστορ ΔΕΝ ΑΓΕΙ) Το PMOS τρανζίστορ συμπεριφέρεται ως εξής: G = 1 Το drain D και το source S είναι ασύνδετα (το τρανζίστορ ΔΕΝ ΑΓΕΙ) G = 0 Το drain D και source S είναι συνδεδεμένα (τρανζίστορ ΑΓΕΙ) Όταν τα τρανζίστορ ΑΓΟΥΝ το drain και το source συνδέονται μέσω μιας αντίστασης Rds Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 5 Φθινόπωρο 2008 ΗΥ

2 Παραδείγματα τρανζίστορ Ποιοι ακροδέκτες είναι το source και ποιοι το drain? Το τρανζίστορ άγει ή όχι; Δίκτυα διακοπτών Δίκτυο διακοπτών 1 ακροδέκτης εισόδου και 1 εξόδου Ψάχνουμε πότε μπορούν οι ακροδέκτες εισόδου και εξόδου να συνδεθούν To πότε ο ακροδέκτης εξόδου μεταφέρει την τιμή της εισόδου καθορίζεται από σήματα ελέγχου (μεταβλητές της λογικής συνάρτησης) Η παράλληλη σύνδεση ισοδυναμεί με τη λογική πράξη OR. Η σύνδεση σε σειρά ισοδυναμεί με την πράξη AND. Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 7 Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 8 Γενικά δίκτυα Μπορούμε να πετύχουμε πιο σύνθετες συναρτήσεις Οι κανόνες σύνδεσης μπορούν να γενικευτούν και σε παράλληλη ή σε σειρά σύνδεση επίμέρους δικτύων Φθινόπωρο 2008 ΗΥ422 9 Στατικές πύλες CMOS Στατική λογική πύλη Μιας κατεύθυνσης Οι είσοδοι καθορίζουν την τιμή της εξόδου και όχι αντίθετα Ψηφιακή λειτουργία Μειώνει το θόρυβο των εισόδων Η λειτουργία της περιγράφεται ακριβώς από ένα δυαδικό τελεστή (AND, OR, ) Απλοί κανόνες κατασκευής Συνέδεσε έτσι τους διακόπτες ώστε η έξοδος να οδηγείται πάντα είτε από το Vdd είτε από Gnd. Έτσι ο θόρυβος της εξόδου θα είναι μικρός εφόσον ο θόρυβος των γραμμών τροφοδοσίας θα είναι μικρός Το Gnd και το Vdd δε συνδέονται ποτές απευθείας μεταξύ τους (βραχυκύκλωμα) Απαίτηση: Η έξοδος οδηγείται είτε από το pull to 1 είτε από το pull to 0. Ποτέ και από τα δύο Λύση: Αρκεί τα 2 δίκτυα να είναι συμπληρωματικά (complementary) Οι είσοδοι συνδέονται τόσο στο pull-to-1 δίκτυο όσο και στο pull-to-0 PMOS δίκτυο ΝMOS δίκτυο Φθινόπωρο 2008 ΗΥ H πιο απλή στατική CMOS πύλη: Ο αντιστροφέας Πύλες NAND Ικανοποιεί τους περιορισμούς που θέσαμε για τις στατικές πύλες Η έξοδος οδηγείται πάντα (είτε από το Vdd είτε από το Gnd) To Vdd και το Gnd δεν βραχυκυκλώνονται ποτέ Τουλάχιστον όσο η είσοδος πληρεί τα κριτήρια που θέσαμε για το λογικό-1 (Vdd) και λογικο-0 (Gnd). Λεπτομέριες στη συνέχεια... Τα ΝMOS σε σειρά ωθούν τον κόμβο εξόδου στο Gnd Τα παράλληλα PMOS συνδέουν τον κόμβο εξόδου με το Vdd H έξοδος οδηγείται πάντα είτε από το PMOS δίκτυο είτε από το ΝMOS δίκτυο αλλά ποτέ και από τα δύο Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ

3 Πύλες NOR Σύνθετες στατικές πύλες CMOS Αντίθετα με την NAND στην περίπτωση της NOR έχουμε PMOS σε σειρά και NMOS παράλληλα Και πάλι η έξοδος οδηγείται πάντα από ένα από τα δύο δίκτυα Η πύλη NOR η δυϊκή κατασκευή της NAND Μπορούμε να σχεδιάσουμε σύνθετες λογικές πύλες οι οποίες εκτελούν σε ένα στάδιο μια πιο περίπλοκη λογική συνάρτηση Παράλληλος και σε σειρά συνδιασμός επιμέρους δικτύων Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Σύνθετες στατικές πύλες CMOS πολλών εισόδων Γενικοί κανόνες σχεδίασης στατικών πυλών CMOS ΝΑΝD 8 εισόδων Πολλαπλά επίπεδα ΝΑΝD 8 εισόδων 1 επίπεδο Οι μεγάλες σύνθετες πύλες δεν είναι πάντα η αποδοτικότερη υλοποίηση Στις περισσότερες των περιπτώσεων μια πολυεπίπεδο υλοποίηση έχει καλύτερα χαρακτηριστικά (καθυστέρηση) Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Γιατί δεν παράγουμε κατευθείαν AND/OR? Εξήγηση: NMOS τρανζίστορ και πτώση κατωφλίου Φαίνεται πως οι κανόνες που θέσαμε ικανοποιούνται Η έξοδος οδηγείται πάντα είτε από το Vdd είτε από Gnd To Vdd και το Gnd δε βραχυκυκλώνονται ποτέ Δεν δουλεύει όπως θα θέλαμε στην πραγματικότητα Τα τρανζίστορς δεν είναι μόνο διακόπτες Το τρανζίστορ δεν άγει μεταφέρει την τάση 0V Η ΤΑΣΗ ΔΕΝ ΟΡΙΖΕΤΑΙ ΣΕ ΕΝΑ ΣΗΜΕΙΟ. ΕΙΝΑΙ ΠΑΝΤΑ Η ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΜΕΤΑΞΥ 2 ΣΗΜΕΙΩΝ προσπαθεί να μεταφέρει την τάση Vdd Είναι το source εφόσον δεν μπορούμε να έχουμε μεγαλύτερο δυναμικό από Vdd To Vgsδεν είναι σταθερό (Vgs= Vg Vs) Vg σταθερή τιμή > Vt To Vs αλλάζει. Όταν το τρανζίστορ AΓΕΙ το drain με το source συνδέονται μέσω μιας αντίστασης. Εφόσον Vg σταθερόκαι Vs τότε Vgs To τρανζίστορ ΔΕΝ ΑΓΕΙ όταν Vgs = Vt Vg Vs = Vt Vs = Vg Vt Η μέγιστη τιμή του Vg = Vdd H μέγιστη τιμή του Vs = Vdd - Vt Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ

4 PMOS τρανζίστορ και πτώση (απώλεια) κατωφλίου Συνοψη: Πτώση κατωφλίου Το τρανζίστορ δεν άγει μεταφέρει την τάση 0V προσπαθεί να μεταφέρει τα 0V To Vgsδεν είναι σταθερό (Vgs= Vg Vs) Vg σταθερή τιμή < Vdd - Vt To Vs αλλάζει. Όταν το τρανζίστορ AΓΕΙ το drain με το source συνδέονται μέσω μιας αντίστασης. Εφόσον Vg σταθερόκαι Vs τότε Vgs To τρανζίστορ ΔΕΝ ΑΓΕΙ όταν Vgs = -Vt Vg Vs = -Vt Vs = Vg +Vt Η ελάχιστη τιμή του Vg = 0V H ελάχιστη τιμή του Vs = Vt Το NMOS περνάει καλά το λογικό 0. Τάσεις κοντά στο Gnd To NMOS περνάει μειωμένες τιμές του λογικού 1 (Vdd Vt) Το PMOS περνάει καλά το λογικό 1. Τάσεις κοντά στο Vdd. To PMOS περνάει αυξημένες τιμές του λογικού 0 ( Vt ) Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Έγκυρες συνδεσμολογίες με pass transistors Απαγορευμένες συνδεσμολογίες με pass τρανζίστορς Σε σειρά ΝΜΟS pass τρανζίστορ Η σε σειρά σύνδεση NMOS pass τρανζίστορ δεν «καταστρέφει» την εξόδο παρά μόνο κατά ένα Vt To φαινόμενο δεν είναι αθροιστικό To source του NMOS pass τρανζίστορ είναι πάντα μκρότερο κατά Vτ Volts του gate του τρανζίστορ (Αλλιώς δεν ΑΓΕΙ) Το NMOS χαλάει το λογικό - 1 Το source του PMOS pass τρανζίστορ είναι πάντα μεγαλύτερο κατά Vτ Volts του gate του τρανζίσστορ Το PMOS χαλάει το λογικό - 0 Μην χρησιμοποιείται τέτοιες συνδέσεις Παράδειγμα: Αν Vdd = 1.8V και Vτ = 0.5V τότε μετά από 3 υποβαθμίσεις εξαιτίας των NMOS ένα λογικό-1 θα αναφερόταν στα 0.3 volts Πολύ κακό για κυκλώματα τα οποία λειτουργούν με χαμηλή τάση τροφοδοσίας στοχεύοντας σε πολυ χαμηλή κατανάλωση ισχύος Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Στατικές πύλες και πτώση κατωφλίου Παραδείγματα με συναρτήσεων με τρανζίστορ διέλευσης 1 Vdd 0 Gnd 1 Vdd Vdd - Vt Η πτώση κατωφλίου εμφανίζεται και στις κανονικές στατικές πύλες CMOS Δεν επηρεάζει τη λογική λειτουργία της πύλης καθώς παντά υπάρχει εναλλακτική διαδρομή που ωθεί τον κόμβο εξόδου είτε στο Vdd είτε στο Gnd Επηρεάζει μόνο την απόδοση (ταχύτητα) του κυκλώματος Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Μπορούμε να υλοποιήσουμε οποια συνάρτηση θέλουμε Συνήθως απαιτούνται και η κανονική και η ανεστραμμένη μορφή της εξόδου. Το ίδιο ισχύει και για σήματα εισόδου Οι είσοδοι πρέπει να οδηγούνται από στατικές πύλες (δημιουργία μονοπατιού προς το Gnd ή Vdd) Οι έξοδοι πρέπει να οδηγούν στατικές πύλες ώστε να επαναφέρεται η σωστή τιμη της τάσης για το λογικό -1 (Λεπτομέρειες στη συνέχεια) Φθινόπωρο 2008 ΗΥ

5 Πύλες μετάδοσης (transmission gates) O πολυπλέκτης με πύλες μετάδοσης (transmission gate) Το πρόβλημα με τους διακόπτες του ενός τρανζίστορ (είτε ΝΜOS είτε PMOS) είναι ότι αν δεν ξέρουμε ποια τιμή θα περάσει οδηγούμαστε σε ενδιάμεσες τάσεις εξαιτίας της πτώσης κατωφλίου Λύση: Για κάθε ένα διακόπτη χρησιμοποιήσε ένα PMOS και ένα NMOS τρανζίστορ συνδεδεμένα παράλληλα Το PMOS τρανζίστορ θα «περνάει» τις καλές τιμές του Vdd. To NMOS τρανζίστορ θα «περνάει» καλές τιμές του Gnd O έλεγχος του διακόπτη απαιτεί διπλά σήματα. Το κανικό σήμα και το αντίστροφο του Διακόπτης πλήρως διπλής κατεύθυνσης Μπορεί να είναι χρήσιμο. Συνήθως θέλει μεγάλη προσοχή. Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Μπορούμε να πολυπλέξουμε ένα μεγάλο αριθμό από εισόδους Αρκεί τα σήματα ελέγχου κάθε εισόδου να είναι αμοιβαιως αποκλειόμενα (μόνο ένα ενεργο κάθε φορά) Αν τα σήματα ελέγχου της κάθε εισόδου ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα περίεργα πράγματα μπορεί να συμβούν Μπορούμε να συνδέσουμε τους πολυπλέκτες παράλληλα ή σε σειρά για να φτιάξουμε πιο σύνθετα κυκλώματα Δεν μπορεί να επαναφέρει επίπεδο σήματος σε σωστή λογική τιμή. Συνήθως απαιτεί αντιστροφέα αμέσως μετά την έξοδο Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Πολυπλέκτες πολλών εισόδων Παραδείγματα συναρτήσεων με πύλες μετάδοσης Οι είσοδοι Α D διέρχονται μέσα από 1 Οι είσοδοι Α D διέρχονται μέσα από 2 transmission gate transmission gates Οι διαδρομές που θα ενεργοποιηθούν Οι διαδρομές που θα ενεργοποιηθούν εξαρτώνται εξαρτώνται από τα σήματα ελέγχου sα-sd από τα σήματα ελέγχου s0, s1 Aπαιτείται αποκωδικοποίηση των σημάτων Δεν απαιτείται αποκωδικοποίηση των σημάτων ελέγχου για να είναι αμοιβαίως αποκλειόμενα ελέγχου (μόνο 1 ενεργό επιτρέπεται) Προτιμητέο όταν το κρίσιμο μονοπάτι του Προτιμητέο όταν το κρίσιμο μονοπάτι περνάει κυκλώματος ανήκει στα control σήματα από τα δεδομένα εισόδου Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Γενικοί κανόνες υλοποίησης με πύλες μετάδοσης Παράδειγμα συνάρτησης με πύλες μετάδοσης Μοια οποιαδήποτε συνάρτηση μπορεί να υλοποιηθεί με ένα δένδρο από πολυπλέκτες Για μια λογική συνάρτηση n εισόδων απαιτείται 1 πολυπλέκτης 2 n-1 -σε-1 Γιατί όχι 2 n -σε-1; Ανέλυσε τη λογική συνάρτηση χρησιμοποιώντας το διαχωρισμό του Shannon Εφάρμοσε τις n-1 εισόδους στα σήματα ελέγχου του πολυπλέκτη. Εστω C το όνομα της μεταβλητής που περισσεύει από τις n μεταβλητές Για κάθενα από τους 2 n-1 συνδιασμούς (όσα και τα φύλλα του δένδρου πολυπλεκτών) αποφάσισε αν η έξοδος είναι ίση με : 1. 0 ανεξάρτητα από την τιμή του C 2. 1 ανεξάρτητα από την τιμή του C 3. ίση με την τιμή του C 4. ίση με το αντίστροφο του C Φθινόπωρο 2008 ΗΥ Φθινόπωρο 2008 ΗΥ

6 Επόμενο μάθημα Γρήγορη επανάληψη της πτώσης κατωφλίου Εισαγωγή στο φυσικό σχέδιο Stick διαγράμματα Πρόχειρος υπολογισμός εμβαδού Περιορισμοί φυσικού σχεδίου Υλοποίηση τρανζίστορ μεγάλου πλάτους Φθινόπωρο 2008 ΗΥ