Στατική ηλεκτρική ανάλυση του αντιστροφέα CMOS. Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική

Transcript

1 Στατική ηλεκτρική ανάλυση του αντιστροφέα CMO Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική

2 Στατική (C) ηλεκτρική ανάλυση του αντιστροφέα CMO Θα εξάγουµε τη χαρακτηριστική τάσης = f( ) (καθώς και τη χαρακτηριστική ρεύµατος I = f( )) του αντιστροφέα CMO σε συνθήκες σταθερής λειτουργίας V n = V p = - I I n = I p V n = V p = - 2

3 Χαρακτηριστική C ενός ιδανικού αντιστροφέα τάση µετάβασης V M = / 2 λογικό 0 εισόδου λογικό 1 εισόδου Η χαρακτηριστική C ενός πραγµατικού αντιστροφέα έχει µη µηδενικό εύρος και πεπερασµένη κλίση στην περιοχή της µετάβασης µεταξύ των δύο λογικών καταστάσεων 3

4 Χαρακτηριστική C του αντιστροφέα CMO d /d = -1 V OH τάση µετάβασης V M : = d /d = -1 V OL λογικό 0 εισόδου V IL V IH λογικό 1 εισόδου περιοχή µετάβασης 4

5 Βασικά σηµεία της χαρακτηριστικής C Οι τάσεις εξόδου V OH και V OL που αντιστοιχούν στις λογικές τιµές 0 και 1 πρακτικά συµπίπτουν µε τις ιδανικές τάσεις και 0V Η ελάχιστη τάση εισόδου που αναγνωρίζεται από το κύκλωµα ως λογικό 1 (και οδηγεί την έξοδο σε λογικό 0) αναφέρεται ως V IH H µέγιστη τάση εισόδου που αναγνωρίζεται από το κύκλωµα ως λογικό 0 (και οδηγεί την έξοδο σε λογικό 1) αναφέρεται ως V IL Οι τάσεις V IH και V IL ορίζονται ως τα σηµεία µοναδιαίου κέρδους της χαρακτηριστικής C όπου η κλίση της καµπύλης είναι -1: dv dv out in = 1 Το εύρος περιοχής µετάβασης είναι V IH - V IL Η τάση µετάβασης V M του αντιστροφέα (όπου πραγµατοποιείται η µετάβαση της εξόδου από 0 σε 1) ορίζεται ως το σηµείο όπου η τάση εξόδου συµπίπτει µε την τάση εισόδου, δηλαδή = 5

6 Πηγές θορύβου i(t) v(t) V Επαγωγική σύζευξη Χωρητική σύζευξη Θόρυβος τροφοδοσίας και γείωσης 6

7 Περιθώρια θορύβου Περιθώριο θορύβου λογικού 1: NM H = V OH - V IH - V IH Περιθώριο θορύβου λογικού 0: NM L = V IL - V OL V IL V OH NMH περιοχή µετάβασης V IH V IL NM L V OL 0V 0V 7

8 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V C out I A E V Tn V M - V Tp 8

9 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V n = I I n = I p V p = - V n = V p = - Περιοχή Α: 0 < V Tn Περιοχή λειτουργίας nmo τρανζίστορ: ΑΠΟΚΟΠΗ Περιοχή λειτουργίας pmo τρανζίστορ: ΓΡΑΜΜΙΚΗ Ρεύµα υποδοχής pmo τρανζίστορ I p = I n = 0 V p = 0 Τάση εξόδου: = 9

10 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V n = I I n = I p V p = - V n = V p = - Περιοχή : V Tn < V M (: = ) - V Tn - V Tn - < - - V Tp + V Tp < Περιοχή λειτουργίας nmo τρανζίστορ: ΚΟΡΟΣ Περιοχή λειτουργίας pmo τρανζίστορ: ΓΡΑΜΜΙΚΗ 10

11 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C Ισοδύναµο κύκλωµα αντιστροφέα στην περιοχή Β της χαρακτηριστικής: I p I n Ρεύµα υποδοχής nmo τρανζίστορ: Ρεύµα υποδοχής pmo τρανζίστορ: I p = k p Λύνοντας τη I n = I p προκύπτει η έκφραση = f( ) της χαρακτηριστικής στην περιοχή Β I n ( V V V )( V V ) in Tp out = k n ( V ) 2 in VTn 2 2 ( V V ) 2 out 11

12 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V n = I I n = I p V p = - V n = V p = - Περιοχή C: = V M V M - V Tn V M + V Tp (Η περιοχή αυτή υφίσταται µόνο για µια τιµή της τάσης εισόδου) Περιοχή λειτουργίας nmo τρανζίστορ: ΚΟΡΟΣ Περιοχή λειτουργίας pmo τρανζίστορ: ΚΟΡΟΣ 12

13 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C Ισοδύναµο κύκλωµα αντιστροφέα στην περιοχή C της χαρακτηριστικής: I p I n Στην περιοχή αυτή (δηλαδή στο σηµείο = V M ) παρατηρείται η µέγιστη τιµή του ρεύµατος του αντιστροφέα (χαρακτηριστική I = f( )) Ρεύµα υποδοχής nmo τρανζίστορ: Ρεύµα υποδοχής pmo τρανζίστορ: Λύνοντας τη I n = I p έχουµε: [edra/mith άσκ και εξ. (10.8)] V M kn I n = VM V 2 k p I p = M 2 = V VTp + VTn ( ) 2 Tn ( V V V ) 2 k k n p Tp 1 + k k n p 1 13

14 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V n = I I n = I p V p = - V n = V p = - Περιοχή : V M < - V Tp < - V Tn V Tp + V Tp Περιοχή λειτουργίας nmo τρανζίστορ: ΓΡΑΜΜΙΚΗ Περιοχή λειτουργίας pmo τρανζίστορ: ΚΟΡΟΣ 14

15 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C Ισοδύναµο κύκλωµα αντιστροφέα στην περιοχή της χαρακτηριστικής: I p I n Ρεύµα υποδοχής nmo τρανζίστορ: Ρεύµα υποδοχής pmo τρανζίστορ: out ( V ) 2 in VTn Vout Λύνοντας τη I n = I p προκύπτει η έκφραση = f( ) της χαρακτηριστικής στην περιοχή I I n p = k n k p = 2 V ( V V V ) 2 in Tp 2 15

16 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C V n = I I n = I p V p = - V n = V p = - Περιοχή E: - V Tp < Περιοχή λειτουργίας nmo τρανζίστορ: ΓΡΑΜΜΙΚΗ Περιοχή λειτουργίας pmo τρανζίστορ: ΑΠΟΚΟΠΗ Ρεύµα υποδοχής nmo τρανζίστορ I n = I p = 0 V n = 0 Τάση εξόδου: = 0 16

17 Αναλυτικός υπολογισµός της χαρακτηριστικής C 17

18 Χαρακτηριστική C γενικών πυλών CMO Η χαρακτηριστική C (καθώς και τα βασικά σηµεία της V IH, V IL και V Μ ) για µια γενική πύλη CMO εξαρτάται από τις συγκεκριµένες εισόδους της πύλης Μια ενδεικτική χαρακτηριστική C για γενικές πύλες CMO µπορεί να εξαχθεί µε κατασκευή ενός ισοδύναµου αντιστροφέα (βλ. αντίστοιχο εδάφιο καθυστέρησης γενικών πυλών) 18

19 Σχεδίαση αντιστροφέα µε βάση τη χαρακτηριστική C Η βασική παράµετρος σχεδίασης του αντιστροφέα ως προς τη χαρακτηριστική C είναι η τάση µετάβασης V M Με δεδοµένη την τάση τροφοδοσίας και τις τάσεις κατωφλίου των τρανζίστορ V Tn και V Tp, η V M καθορίζεται από την τιµή του λόγου k n /k p (λόγος διαγωγιµοτήτων) Επίδραση του λόγου k n /k p στη θέση της χαρακτηριστικής C: k n /k p > 1 k n /k p = 1 k n /k p < 1 V / 2 19

20 Σχεδίαση αντιστροφέα µε βάση τη χαρακτηριστική C Εάν είναι V Tn = V Tp τότε για k n /k p = 1 προκύπτει ότι η V M θα βρίσκεται ακριβώς στο ήµισυ της τάσης τροφοδοσίας (όπως στη χαρακτηριστική του ιδανικού αντιστροφέα), δηλαδή V M = /2 Καθώς η κινητικότητα των φορέων ηλεκτρονίων είναι µεγαλύτερη σε σχέση µε εκείνη των οπών, δηλαδή µ n /µ p = k n '/k p ' r > 1, θα πρέπει W p /L p = r(w n /L n ) προκειµένου να είναι συνολικά k n /k p = 1 Τα µήκη L n και L p κατασκευάζονται στην ελάχιστη διάσταση που επιτρέπεται από τη δοσµένη τεχνολογία, οπότε ο µοναδικός βαθµός ελευθερίας στη σχεδίαση των τρανζίστορ είναι τα πλάτη W n και W p θα πρέπει εποµένως W p = rw n ώστε k n /k p = 1 20

21 Σχεδίαση αντιστροφέα µε βάση τη χαρακτηριστική C Με δεδοµένο λόγο W p /W n, οι τάσεις V IL και V IH υπολογίζονται µε παραγώγιση της = f( ) (ή της I n = I p ) σε κάθε µια από τις δύο περιοχές Β και όπου εµφανίζονται αντίστοιχα, και κατόπιν µε ανάθεση d /d = -1 Ειδικά για W p = rw n (δηλ. k n /k p = 1) και V Tn = V Tp V T η διαδικασία αυτή δίνει: 1 V IL = (3V + 2V 8 [edra/mith εξ. (4.148), (4.149)] T ) V IH 1 = (5V 8 2V T ) 21