ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο Κυκλώματα CMOS. Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Transcript

1 ΗΜΥ-210: Λογικός Σχεδιασμός Εαρινό Εξάμηνο 2005 Κυκλώματα CMOS Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

2 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 MKM - 2

3 Κυκλώματα CMOS Υλοποίηση λογικών πυλών και άλλων δομών χρησιμοποιώντας τεχνολογία CMOS. Βασικό στοιχείο: τρανζίστορ Υπάρχουν 2 τύποι τρανζίστορ: n-κανάλι (n-chnnel): τρανζίστορ nmos p-κανάλι (p-chnnel): τρανζίστορ pmos Ο τύπος εξαρτάται από τα υλικά του ημιαγωγού που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του τρανζίστορ (πέραν των στόχων του μαθήματος ). Μοντελοποιούμε την συμπεριφορά του τρανζίστορ σε λογικό επίπεδο για να μπορέσουμε να μελετήσουμε την συμπεριφορά κυκλωμάτων CMOS Θεωρούμε τα τρανζίστορ pmos και nmos ως διακόπτες. MKM - 3

4 Τρανζίστορ CMOS ως διακόπτες 3 άκρα (terminls) στα τρανζίστορ CMOS: G: Πύλη (Gte) D: Ακροδέκτης MOSFET (Drin) 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 - 4

5 ίκτυα από διακόπτες Xχρησιμοποιούμε διακόπτες για την δημιουργία δικτύων που αναπαριστάνουν λογικά κυκλώματα CMOS. Για να υλοποιήσουμε μια συνάρτηση F, δημιουργούμε ένα δίκτυο έτσι ώστε υπάρχει ένα μονοπάτι δια μέσω του δικτύου όταν το F=1, και δεν υπάρχει όταν το F=0. ύο βασικές δομές: Τρανζίστορ σε σειρά Παράλληλα τρανζίστορ MKM - 5

6 Τρανζίστορ σε Σειρά/Παράλληλα nmos σε σειρά X Y X:X Y:Y υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των σημείων και εάν Χ και Y είναι 1 X Y παράλληλο nmos X Y X:X Y:Y υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των σημείων και εάν το X ή τοy είναι 1 X+Y pmos σε σειρά X Y X:X Y:Y υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των σημείων και εάν το Χ και Y είναι 0 X Y παράλληλο pmos X Y X:X Y:Y υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των σημείων και εάν το X ή τοy είναι 0 X +Y MKM - 6

7 ίκτυα από διακόπτες (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 - 7

8 Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Κάθε πλήρως συμπληρωματικό δίκτυο CMOS έχει την δομή στα δεξιά. Το κάθε ένα από τα δύο υπό- δίκτυα υλοποιεί τη συνάρτηση δυϊσμού του άλλου. Στατική CMOS (sttic 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 μέσω στην έξοδο (F), είτε από την πηγή +V (λογικό( 1) είτε από τη γείωση (λογικό 0). Pull-up δίκτυο (τραβά από +V) Pull-down δίκτυο (τραβά από GRD) MKM - 8

9 Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Παράδειγμα -- Αντιστροφέας +V X F = X X F = X Λογικό σύμβολο Λειτουργία: GRD Σχηματικό σε επίπεδο τρανζίστορ X=1 διακόπτης nmos κλείνει (pmos παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το GRD F=0 X=0 διακόπτης pmos κλείνει (nmos παραμένει ανοικτός) και η έξοδος άγει από το +V F=1 MKM - 9

10 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Βασικές Πύλες (NOR, NAND, NOT) MKM - 10

11 Πλήρως ολοκληρωμένα CMOS Γιατί τα δίκτυα pmos είναι συνδεδεμένα στο +V και τα nmos στο GRD? Τα στοιχεία pmos είναι σχεδόν ιδεώδες όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η) και αδύνατα όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση (L). Τα στοιχεία nmos είναι σχεδόν ιδεώδες όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση και αδύνατα όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η). Η δομή του CMOS εξασφαλίζει ότι οι τιμές των σημάτων παραμένουν στα κατάλληλα υψηλά και χαμηλά λογικά επίπεδα, όταν μεταδίδονται δια μέσω του δικτύου και φθάνουν στην έξοδο. MKM - 11

12 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες (Complex Gtes) εδομένης μιας συνάρτησης F(): 1. Βρείτε και απλοποιήστε το F (). Βεβαιωθείτε ότι θα προχωρήσετε μέχρι που τα συμπληρώματα να φτάσουν στο επίπεδο παραγόντων (literl). 2. Υλοποιήστε την F () σαν ένα nmos δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το GRD και το F() δίκτυο pull-down 3. Βρείτε το δυϊσμό του F () και υλοποιήστε το σαν ένα pmos δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το +V και το F() δίκτυο pull-up up 4. Συνδέστε τις εισόδους σε κάθε ένα από τα δίκτυα pull- up και pull-down. MKM - 12

13 Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS σύνθετες πύλες - Παράδειγμα F = AB +AC+BC MKM - 13

14 CMOS Πύλη Mετάδοσης MKM - 14

15 MUX 2-εισόδων2 εισόδων και XOR με CMOS πύλες μετάδοσης MUX (=multiplexer) = Πολυπλέκτης: Επιλέγει να περάσει την τιμή σε μία από τις εισόδους βάση της τιμής του C MKM - 15