ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ MOS KAI CMOS

Transcript

1 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 1 ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ MOS KAI CMOS Α. Αναστροφέας MOSFET. Α.1 Αναστροφέας MOSFET µε φορτίο προσαύξησης. Ο αναστροφέας MOSFET (πύλη NOT) αποτελείται από δυο MOSFET συνδεδεµένα σε σειρά εκ των οποίων το ένα διαδραµατίζει ρόλο φορτίου (αντίστασης) και το άλλο ρόλο οδηγού (διακόπτη). Στο σχήµα 1 παρουσιάζεται ένας τέτοιος αναστροφέας σε τεχνολογία MOS, όπου το ρόλο του διακόπτη διαδραµατίζει το τρανζίστορ Q1 και το ρόλο του φορτίου το τρανζίστορ Q2. Στο ισοδύναµο εξιδανικευµένο κύκλωµα παρατηρούµε ότι όταν η είσοδος βρίσκεται στο λογικό "0" (διακόπτης ανοικτός) δε διέρχεται ρεύµα µέσω της αντίστασης R L, µε αποτέλεσµα το δυναµικό στην έξοδο να είναι ίσο µε την τάση τροφοδοσίας V DD (λογικό "1"). Αντίθετα όταν κλείσει ο διακόπτης (λογικό "1" στην είσοδο) τότε η έξοδος ουσιαστικά βραχυκυκλώνεται µε τη γείωση (λογικό "0") µε αποτέλεσµα να επιτελείται τελικά η λογική πράξη της άρνησης, NOT. Το τρανζίστορ Q2 είναι ένα MOSFET προσαύξησης που λειτουργεί στον κόρο έχοντας βραχυκυκλωµένη την πύλη µε τον απαγωγό (σχ. 1α & σχ. 2). Η βραχυκύκλωση της πύλης, G, µε τον απαγωγό, D, είναι ένας πολύ συνηθισµένος τρόπος για να λειτουργήσει ένα MOSFET στον κόρο. Η λειτουργία στον κόρο υπό αυτές τις συνθήκες µπορεί να αποδειχθεί πολύ εύκολα αν ληφθεί υπόψη ότι λόγω της βραχυκύκλωσης θα ισχύει: υ GS = υds (1)

2 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 2 Σχήµα 1. (α) Αναστροφέας NMOS (πύλη NOT) µε κορεσµένο MOSFET προσαύξησης ως φορτίο (µη γραµµική αντίσταση φορτίου), (β) ισοδύναµο ιδανικό κύκλωµα µε διακόπτη και ωµική αντίσταση, (γ) σύνδεση φορτίου και οδηγού σε ολοκληρωµένο κύκλωµα.

3 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 3 Σχήµα 2. Τρανζίστορ NMOS προσαύξησης σε συνδεσµολογία αντίστασης. Με δεδοµένο τώρα ότι για το MOSFET προσαύξησης το δυναµικό κατωφλίου, V T, έχει θετικό πρόσηµο έπεται ότι θα ισχύει: υ V < υ (2) GS T DS Η σχέση 2 υποδηλώνει πως ο δίαυλος είναι κλειστός και κατά συνέπεια το τρανζίστορ λειτουργεί στον κόρο. Σχόλιο εµπέδωσης. Η σχέση 2 µπορεί να γραφεί και ως: υ υ < V υ < V GS DS T GD T υποδηλώνοντας πως αν µη τι άλλο το κανάλι είναι σίγουρα κοµµένο στην περιοχή του απαγωγού. Η αντίσταση που παρουσιάζει το τρανζίστορ φορτίου (Q2) είναι µη γραµµική και αυτό µπορεί να φανεί αν στις χαρακτηριστικές i D -υ DS του τρανζίστορ Q2 επισηµανθεί ο γεωµετρικός τόπος των σηµείων για τα οποία ισχύει υ GS =υ DS. Αυτή ακριβώς η διαδικασία παρουσιάζεται στο σχήµα 3 όπου θεωρείται ότι V DD =6V και V T =2V.

4 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 4 Παρατηρούµε ότι ακόµη και όταν το ρεύµα i D ισούται µε µηδέν υπάρχει πτώση τάσης πάνω στο MOSFET και είναι ίση µε: υ = υ = V (3) DS GS T Σχήµα 3. Οι χαρακτηριστικές του NMOS Q2 και ο γεωµετρικός τόπος των σηµείων για τα οποία ισχύει υ GS =υ DS (κόκκινη γραµµή) που καταδεικνύει τη µη γραµµική συµπεριφορά του τρανζίστορ όταν αυτό λειτουργεί ως φορτίο (V DD =6V και V T =2V). Προσδιορισµός της καµπύλης φόρτου και της χαρακτηριστικής µεταφοράς του αναστροφέα. Για να δειχθεί η δράση του κυκλώµατος του σχήµατος 1 ως αναστροφέα πρέπει να προσδιοριστεί η χαρακτηριστική µεταφοράς του, υ in - υ out, Ουσιαστικά πρόκειται για τη γραφική παράσταση της εξόδου (υ DS1 ) του

5 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 5 κυκλώµατος σε σχέση µε την είσοδό του (υ GS1 ). Το πρώτο βήµα σε µια τέτοια διαδικασία είναι ο προσδιορισµός της καµπύλης φόρτου (σχήµα 4). Σχήµα 4. Οι χαρακτηριστικές του τρανζίστορ οδήγησης Q1 και η καµπύλη φόρτου. Η καµπύλη φόρτου (σε αναλογία µε την ευθεία φόρτου που είδαµε στα διπολικά τρανζίστορ και τις διόδους) είναι ουσιαστικά η γραφική παράσταση του 2 ου κανόνα του Kirchoff στο βρόχο του απαγωγού του MOSFET. Όπως παρουσιάζεται στο σχήµα 4, η καµπύλη φόρτου σχεδιάζεται πάνω στο διάγραµµα µε τις χαρακτηριστικές i D1 - υ DS1 του τρανζίστορ οδήγησης λαµβάνοντας υπόψη ότι: υ + υ = V υ = V υ (4) και DS1 DS2 DD DS1 DD DS2 I I 0 I = I (5) G1 G2 D1 D2

6 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 6 Η καµπύλη φόρτου σχεδιάζεται αν σε κάθε ζευγάρι τιµών i D2 - υ DS2 της χαρακτηριστικής της µη γραµµικής αντίστασης του σχήµατος 3 (όπου υ GS2 =υ DS2 ) προσδιορίσουµε τις αντίστοιχες τιµές των i D1 και υ DS1 κάνοντας χρήση των εξισώσεων 4 και 5. Όταν για παράδειγµα το ρεύµα που διαρρέει τα δύο MOSFET είναι µηδέν παρατηρούµε από το σχήµα 3 ότι στο τρανζίστορ Q2 η πτώση τάσης θα είναι υ DS2 =2V. Κατά συνέπεια, από την εξίσωση 4 θα είναι υ DS1 =V DD -υ DS2 =6-2=4V (κάτι που φαίνεται και στο σχήµα 4 από το σηµείο τοµής της καµπύλης φόρτου µε τον άξονα υ DS1 ). Σχήµα 5. Κοινή παρουσίαση της µη γραµµικής αντίστασης του φορτίου και της καµπύλης φόρτου. Για την καµπύλη φόρτου οι χαρακτηριστικές i D -υ DS αναφέρονται στο τρανζίστορ Q1 ενώ για τη µη γραµµική αντίσταση φορτίου οι χαρακτηριστικές i D -υ DS αναφέρονται στο τρανζίστορ Q2.

7 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 7 Κατά παρόµοιο τρόπο, η µέγιστη τιµή ρεύµατος της χαρακτηριστικής αντίστασης φορτίου του σχήµατος 3 αντιστοιχεί σε δυναµικά υ GS2 =υ DS2 =6V (=V DD ). Οπότε για την καµπύλη φόρτου η µέγιστη αυτή τιµή θα αντιστοιχεί σε τάση υ DS1 =V DD -υ DS2 =6-6 = 0V (η καµπύλη φόρτου τέµνει τον άξονα των ρευµάτων στο σχήµα 4). Στο σχήµα 5 παρουσιάζονται σε κοινό διάγραµµα η καµπύλη φόρτου και η χαρακτηριστική αντίσταση. Για την καµπύλη φόρτου οι χαρακτηριστικές i D -υ DS αναφέρονται στο τρανζίστορ Q1 ενώ για τη µη γραµµική αντίσταση φορτίου οι χαρακτηριστικές i D -υ DS αναφέρονται στο τρανζίστορ Q2. Σχήµα 6. Χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα NMOS µε τρανζίστορ προσαύξησης ως οδηγό και κορεσµένο φορτίο προσαύξησης ως αντίσταση.

8 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 8 Με τη βοήθεια της καµπύλης φόρτου του σχήµατος 4 µπορεί να προσδιοριστεί η χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα. Εντοπίζονται τα σηµεία τοµής αυτής της καµπύλης µε τις χαρακτηριστικές του MOSFET Q1 και καταγράφεται σε µορφή ζεύγους η τάση υ DS1 του κάθε σηµείου και η τάση υ GS1 της χαρακτηριστικής στην οποία αντιστοιχεί. Κατασκευάζεται στη συνέχεια η γραφική παράσταση της τάσης υ DS1 συναρτήσει της υ GS1, η οποία δεν είναι τίποτε άλλο από τη χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα, δηλαδή τη γραφική παράσταση της τάσης εξόδου συναρτήσει της τάσης εισόδου (σχήµα 6). Επιβεβαιώνεται έτσι η δράση του κυκλώµατος του σχήµατος 1 ως αναστροφέα. Α.2 Αναστροφέας MOSFET µε φορτίο διακένωσης. Σχήµα 7. Αναστροφέας NMOS µε MOSFET διακένωσης ως φορτίο.

9 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 9 Σχήµα 8. Ολοκληρωµένο κύκλωµα αναστροφέα NMOS µε MOSFET διακένωσης ως φορτίο. Μια εναλλακτική και πιο ανθεκτική στο θόρυβο συνδεσµολογία αναστροφέα NMOS είναι αυτή που χρησιµοποιεί ως φορτίο ένα MOSFET διακένωσης το οποίο συνδέεται σε σειρά µε τον οδηγό που αποτελείται από ένα MOSFET προσαύξησης. Στο σχήµα 7 παρουσιάζεται το σχετικό κύκλωµα και στο σχήµα 8 η αντίστοιχη δοµή ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Εκτός από τη χρήση MOS τρανζίστορ διακένωσης ως φορτίου, µια ακόµη διαφορά που παρατηρείται είναι και ο τρόπος σύνδεσης αυτού του τρανζίστορ στη δοµή του αναστροφέα. Στο κύκλωµα του σχήµατος 1 βραχυκυκλωνόταν η πύλη µε τον απαγωγό ενώ τώρα βραχυνυκλώνεται η πύλη µε την πηγή. Κατά συνέπεια, η συνθήκη µε την οποία προσδιορίζεται η χαρακτηριστική της αντίστασης του φορτίου δεν είναι τώρα η υ GS = υ DS (όπως συνέβαινε όταν βραχυκυκλωνόταν η πύλη µε τον απαγωγό) αλλά η υ GS = 0. Ουσιαστικά δηλαδή η χαρακτηριστική της

10 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 10 αντίστασης φορτίου ταυτίζεται τώρα µε τη χαρακτηριστική του MOSFET διακένωσης που αντιστοιχεί σε υ GS = 0, όπως φαίνεται και στο σχήµα 9. Σχήµα 9. Οι χαρακτηριστικές του NMOS διακένωσης Q2. Η χαρακτηριστική για την οποία ισχύει υ GS =0 (κόκκινη γραµµή) που καταδεικνύει τη συµπεριφορά του τρανζίστορ όταν αυτό λειτουργεί ως φορτίο µε βάση τη συνδεσµολογία του σχήµατος 7. Η διαδικασία που ακολουθείται για τον προσδιορισµό της χαρακτηριστικής µεταφοράς του αναστροφέα είναι παρόµοιος µε αυτόν που ακολουθήθηκε στην προηγούµενη ενότητα όπου ως φορτίο χρησιµοποιούταν MOS τρανζίστορ προσαύξησης. Τώρα που το φορτίο είναι τρανζίστορ διακένωσης µε πύλη και πηγή βραχυκυκλωµένες µεταξύ τους, παρατηρούµε ότι η χαρακτηριστική της αντίστασης εκτείνεται σε ολόκληρο το εύρος τιµών της υ DS από 0 ως V DD (σε σύγκριση µε το εύρος V T ως V DD στο σχήµα 3). Οι σχέσεις 4 και 5 εξακολουθούν να ισχύουν οπότε µε την ίδια διαδικασία η χαρακτηριστική της αντίστασης φορτίου µπορεί να οδηγήσει στον προσδιορισµό της καµπύλης φόρτου του αναστροφέα (σχήµα 10)

11 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 11 Σχήµα 10. Η καµπύλη φόρτου του τρανζίστορ οδήγησης Q1 µε βάση τη χαρακτηριστική φορτίου του τρανζίστορ Q2 του σχήµατος 8. Σχήµα 11. Χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα NMOS µε τρανζίστορ προσαύξησης ως οδηγό και φορτίο διακένωσης ως αντίσταση.

12 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 12 Στο σχήµα 10, η πρώτη χαρακτηριστική που παρουσιάζεται και τέµνεται µε την καµπύλη φόρτου είναι αυτή που αντιστοιχεί σε είσοδο υ in (=υ GS1 )=3V. Είναι προφανές ότι για τιµές εισόδου µικρότερες από 3V τα σηµεία τοµής των αντίστοιχων χαρακτηριστικών µε την καµπύλη φόρτου θα δίνουν τιµές υ DS κοντά στην τιµή V DD, δηλαδή τα 6V. Εξηγείται έτσι η σταθερή τιµή των 6V του σήµατος εξόδου για µικρές τιµές της εισόδου στην χαρακτηριστική µεταφοράς που παρουσιάζεται στο σχήµα 11. Καθώς η είσοδος υ GS1 αυξάνει, το σηµείο τοµής (σηµείο λειτουργίας) µετατοπίζεται απότοµα σε πολύ µικρές τιµές της υ DS. Ήδη για τιµή εισόδου υ in (=υ GS1 )=4V φαίνεται στο σχήµα 10 ότι η έξοδος έχει πέσει πολύ κάτω από 0.5V. Εξηγούνται έτσι οι πολύ µικρές τιµές της εξόδου, υ DS1, που παρατηρούνται στη χαρακτηριστική µεταφοράς του σχήµατος 11 για µεγάλες τιµές της εισόδου υ GS1 και κατ επέκταση η λειτουργία του κυκλώµατος ως αναστροφέα. Στο σχήµα 11 παρουσιάζονται σε σύγκριση οι δύο χαρακτηριστικές µεταφοράς των αντίστοιχων αναστροφέων που εξετάστηκαν. Η χαρακτηριστική µεταφοράς στην περίπτωση του φορτίου διακένωσης είναι πιο απότοµη και πλησιάζει περισσότερο την ιδανική (που έχει τη µορφή βηµατικής συνάρτησης). Β. Λογικές πύλες NOR και NAND τεχνολογίας NMOS Β.1 Πύλη NMOS NOR. Στο σχήµα 12 παρουσιάζεται µια τυπική συνδεσµολογία NMOS NOR µε χρήση φορτίου διακένωσης και το αντίστοιχο εξιδανικευµένο ισοδύναµο κύκλωµα διακοπτών.

13 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 13 Σχήµα 12. NMOS NOR (α) κύκλωµα, (β) ισοδύναµο ιδανικό κύκλωµα διακοπτών. Πρόκειται για µια συνδεσµολογία που χρησιµοποιεί δύο οδηγούς συνδεδεµένους µεταξύ τους παράλληλα. Όταν και οι δύο είσοδοι βρίσκονται σε χαµηλό δυναµικό κάτω από την τιµή κατωφλίου V T (λογικό "0") τα δύο NMOSFET προσαύξησης θα βρίσκονται στην αποκοπή (cut off) και η έξοδος Υ σε υψηλή στάθµη V DD (λογικό "1"). Όταν τουλάχιστον µία είσοδος βρεθεί σε υψηλό δυναµικό (λογικό "1") το αντίστοιχο τρανζίστορ θα άγει (κλειστός διακόπτης στο σχήµα 12β) θέτοντας την έξοδο Υ σε χαµηλό δυναµικό (λογικό "0") και επιβεβαιώνοντας έτσι τη λειτουργία της πύλης ως πύλης NOR. Β.2 Πύλη NMOS NAND. Όπως και η πύλη NMOS NOR, η λογική πύλη NMOS NAND αποτελείται από ένα φορτίο και δύο οδηγούς µόνο που τώρα οι δύο οδηγοί συνδέονται µεταξύ τους σε σειρά (σχήµα 13).

14 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 14 Σχήµα 13. NMOS NAND (α) κύκλωµα, (β) ισοδύναµο ιδανικό κύκλωµα διακοπτών. Όταν και οι δύο είσοδοι βρίσκονται σε υψηλό δυναµικό (λογικό "1") τα τρανζίστορ-οδηγοί θα άγουν (κλειστοί διακόπτες στο σχήµα 13β) και η έξοδος Υ θα βρίσκεται σε χαµηλό δυναµικό (λογικό "0"). Αν έστω και µια είσοδος βρεθεί σε χαµηλό δυναµικό, κάτω από την τάση κατωφλίου V T, το αντίστοιχο τρανζίστορ θα αποκόπτεται θέτοντας την έξοδο Υ σε υψηλή στάθµη V DD (λογικό "1") και επιβεβαιώνοντας τη δράση του κυκλώµατος ως λογικής πύλης NAND.

15 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 15 Γ. Τεχνολογία CMOS Γ.1 Αναστροφέας CMOS Η δοµή συµπληρωµατικών MOS τρανζίστορ (Complementary MOS - CMOS) αποτελείται από ένα MOSFET p-καναλιού (PMOS) σε σειρά µε ένα MOSFET n-καναλιού (NMOS). Η δοµή CMOS µπορεί να λειτουργήσει ως αναστροφέας ενώ ο κατάλληλος συνδυασµός δοµών CMOS µπορεί να δώσει λειτουργίες που αντιστοιχούν σε λογικές πύλες NOR και NAND. Σχήµα 14. Αναστροφέας CMOS (α) κύκλωµα, (β) ισοδύναµο ιδανικό κύκλωµα διακοπτών.

16 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 16 Σχήµα 15. Συνδεσµολογία αναστροφέα CMOS, ολοκληρωµένο κύκλωµα. Στον αναστροφέα CMOS (σχήµατα 14 και 15) σε ρόλο φορτίου βρίσκεται το PMOS τρανζίστορ ενώ το NMOS τρανζίστορ αποτελεί τη βαθµίδα οδήγησης (διακόπτη) του αναστροφέα. Το βασικό πλεονέκτηµα του αναστροφέα CMOS είναι η µηδενική κατανάλωση ενέργειας όταν αυτός βρίσκεται σε κάποια σταθερή λογική κατάσταση. Ενέργεια καταναλώνεται µόνο όταν ο αναστροφέας µεταβαίνει από τη µια λογική κατάσταση στην άλλη. Στο ολοκληρωµένο κύκλωµα του σχήµατος 15 φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο συνυπάρχουν ένα PMOS και ένα NMOS τρανζίστορ στο ίδιο τσιπ. Το PMOS τρανζίστορ κατασκευάζεται µέσα σε ένα φρεάτιο n- τύπου. Η ηλεκτρική του αποµόνωση από το NMOS εξασφαλίζεται αυτόµατα από την πόλωση του αναστροφέα. Πραγµατικά, όπως φαίνεται στο σχήµα 15, η πηγή του PMOS (S2) βρίσκεται σε ηλεκτρική επαφή µε το σώµα του φρεατίου n-τύπου (B2) ενώ κάτι αντίστοιχο συµβαίνει και µε την πηγή S1 του NMOS και το p-τύπου υπόστρωµα. Το θετικό δυναµικό που εφαρµόζεται στο S2 και κατά συνέπεια στο n-τύπου φρεάτιο και η γείωση του S1 και του p-τύπου υποστρώµατος

17 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 17 ισοδυναµούν µε την ανάπτυξη µιας ανάστροφης πόλωσης µεταξύ του n- τύπου φρεατίου και του p-τύπου υποστρώµατος η οποία διασφαλίζει την αποµόνωση µεταξύ των δύο τρανζίστορ. Από κατασκευαστικής σκοπιάς, το τρανζίστορ PMOS καταλαµβάνει περισσότερο χώρο πάνω στο τσιπ σε σύγκριση µε το NMOS. Η κατασκευαστική αυτή ιδιαιτερότητα επιβάλλεται από την ανάγκη φορτίο και οδηγός να διαρρέονται από το ίδιο ρεύµα όταν άγουν. Στο τρανζίστορ PMOS η αγωγιµότητα οφείλεται στις οπές οι οποίες έχουν τη µισή ευκινησία από τα ηλεκτρόνια (που είναι οι φορείς του ρεύµατος στο NMOS). Το ρεύµα i D του MOSFET είναι ανάλογο της ευκινησίας των ελευθέρων φορέων και του λόγου W/L του µήκους του FET προς το µήκος του καναλιού (βλ. κεφάλαιο MOSFET). Κατά συνέπεια, για να αντισταθµιστεί η διαφορά στην ευκινησία το PMOS κατασκευάζεται µε µεγαλύτερο λόγο W/L σε σχέση µε το NMOS. Σχήµα 16. Χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα CMOS, µε τάση πόλωσης V DD =5V και τάσεις κατωφλίου V T (Q1)=2V και V T (Q2)= -2V.

18 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 18 Στο σχήµα 16 παρουσιάζεται η χαρακτηριστική µεταφοράς ενός αναστροφέα CMOS µε τάση πόλωσης V DD =5V και τάσεις κατωφλίου V Tp = 2V και V Tn = -2V για τα τρανζίστορ PMOS και NMOS αντίστοιχα. Για χαµηλές τιµές της εισόδου µπορεί να άγει το PMOS αλλά είναι σε κατάσταση αποκοπής το NMOS οπότε το ρεύµα i D είναι µηδέν. Κάτι αντίστοιχο µε αλλαγή ρόλων µεταξύ των δύο τρανζίστορ συµβαίνει σε υψηλές τιµές του σήµατος εισόδου. Τα δύο τρανζίστορ άγουν ταυτόχρονα µόνο κατά τη µετάβαση από τη µια λογική κατάσταση στην άλλη. Σχήµα 17. Χαρακτηριστική µεταφοράς του αναστροφέα CMOS, µε τάση πόλωσης V DD =6V και τάσεις κατωφλίου V T (Q1)=2V και V T (Q2)= -2V.

19 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 19 Στο σχήµα 17 παρουσιάζεται για λόγους εµπέδωσης µια ακόµη χαρακτηριστική µεταφοράς µε τα ίδια δυναµικά κατωφλίου όπως και πριν και µε την τάση πόλωσης αλλαγµένη στα V DD =6V. Παρουσιάζεται επίσης και το ρεύµα που διαρρέει το NMOS, i Dn (= -i Dp ), το οποίο έχει µη µηδενική τιµή µόνο κατά τη µετάβαση µεταξύ καταστάσεων. Στο ίδιο σχήµα καταδεικνύονται πέντε περιοχές λειτουργίας αντί των απλουστευµένων τριών για τις οποίες έγινε αναφορά στο σχήµα 16. Οι τρεις περιοχές έγιναν πέντε επειδή η µεταβατική περιοχή µπορεί να αναλυθεί σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του αναστροφέα (b, c και d) στο σχήµα 17. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά και οι προϋποθέσεις µε τις οποίες η δοµή του αναστροφέα CMOS µπορεί να βρεθεί σε µια από τις πέντε αυτές καταστάσεις. Πίνακας 1. Συνθήκες και τρόπος λειτουργίας του αναστροφέα CMOS περιοχή συνθήκη a 0 υin < VTn λειτουργία PMOS NMOS γραµµική αποκοπή b V υ < V /2 Tn in DD c υ = V /2 in DD γραµµική κόρος κόρος κόρος d V /2< υ V + V κόρος γραµµική DD in DD Tp e υ > V + V 1 αποκοπή γραµµική in DD Tp 1 Συνθήκη αποκοπής PMOS: υ > V υ V > V υ > V + V GSp Tp in DD Tp in DD Tp

20 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 20 Γ.2 CMOS NOR Σχήµα 18. CMOS NOR. Σχήµα 19. CMOS NOR (α) παρουσίαση φορτίων και οδηγών, (β) ιδανικό κύκλωµα διακοπτών.

21 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 21 Στα σχήµατα 18 και 19 παρουσιάζεται η συνδεσµολογία CMOS NOR µε τρεις διαφορετικούς τρόπους για να γίνει περισσότερο κατανοητή η λειτουργία της. Σχηµατίζονται δύο δοµές CMOS η πρώτη αποτελείται από το ζευγάρι των Q1 και Q4 και η δεύτερη από το ζευγάρι Q2 και Q3. Tο τελευταίο µάλιστα ζευγάρι παρουσιάζεται σε κίτρινο πλαίσιο στα σχήµατα 18 και 19α για να καταδειχθεί η ύπαρξη της δοµής CMOS. Το σχήµα 19α αναλύει την πύλη CMOS NOR σε ένα φορτίο που αποτελείται από τα δύο PMOS τρανζίστορ (Q1 και Q2) συνδεδεµένα σε σειρά και σε έναν οδηγό που αποτελείται από τα δύο NMOS τρανζίστορ (Q3 και Q4) συνδεδεµένα παράλληλα. Από το σχήµα 19β παρατηρούµε ότι η έξοδος έρχεται σε κατάσταση υψηλού δυναµικού, V H, δηλαδή λογικό "1", µόνο όταν και τα δύο τρανζίστορ Q1 και Q2 άγουν (διακόπτες κλειστοί). Η έξοδος θα έρχεται σε χαµηλό δυναµικό, V L, όταν ένα εκ των τρανζίστορ Q3 και Q4 άγει (διακόπτης κλειστός). Λόγω της συµπληρωµατικότητας, παρατηρούµε επίσης στο σχήµα 19β ότι όταν το Q4 είναι κλειστός διακόπτης το Q1 είναι ανοικτός διακόπτης. Το ίδιο συµβαίνει και µε το ζευγάρι Q2 και Q3. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των τεσσάρων δυνατών ενδεχοµένων στη λειτουργία της πύλης NOR. i) Όταν και οι δύο είσοδοι βρίσκονται σε κατάσταση χαµηλού δυναµικού, τα τρανζίστορ Q1 και Q2 άγουν ενώ τα Q3 και Q4 βρίσκονται σε αποκοπή. Τα τρανζίστορ Q1 και Q2 συµπεριφέρονται σαν κλειστοί διακόπτες σε σειρά και από τη µικρή τους αντίσταση το δυναµικό της εξόδου αποκτά υψηλή τιµή µέσω της V DD (λογικό "1"). ii) Όταν η είσοδος Α βρίσκεται σε χαµηλό δυναµικό και η Β σε υψηλό τότε λόγω της υψηλής στάθµης της εισόδου Β το Q3 θα άγει και θα φέρνει την έξοδο σε χαµηλό δυναµικό µέσω της γείωσης. Να

22 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 22 σηµειωθεί ότι η έξοδος Υ αποκόπτεται από τη V DD επειδή το τρανζίστορ Q2 (το αντίστοιχο PMOS που συνδέεται µε την είσοδο Β) αποκόπτεται. iii) Όταν η είσοδος Α βρίσκεται σε υψηλό δυναµικό και η είσοδος Β σε χαµηλό τότε λόγω της υψηλής στάθµης της εισόδου Α το Q4 θα άγει και θα φέρνει την έξοδο σε χαµηλό δυναµικό µέσω της γείωσης, λογικό "0". Η έξοδος Υ αποκόπτεται από τη V DD επειδή το τρανζίστορ Q1 (το αντίστοιχο PMOS που συνδέεται µε την είσοδο Α) αποκόπτεται. iv) Με παρόµοιο σκεπτικό µε αυτό των περιπτώσεων ii και iii η έξοδος Υ θα βρίσκεται σε κατάσταση λογικού "0" µε τα τρανζίστορ Q3 και Q4 να άγουν φέρνοντας την έξοδο σε χαµηλό δυναµικό και τα Q1 και Q2 να βρίσκονται σε αποκοπή. Το ενδεχόµενο αυτό εικονίζεται στο σχήµα 19β. Γ.3 CMOS NAND Σχήµα 20. CMOS NAND. Στη συνδεσµολογία CMOS NAND του σχήµατος 20, τα MOS τρανζίστορ Q1 και Q4 είναι p-καναλιού (PMOS) και τα Q2 και Q3 είναι

23 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 23 n-καναλιού (NMOS). Ουσιαστικά τώρα παρατηρούµε ότι σε αντίθεση µε τη NOR-CMOS τα δύο PMOS συνδέονται παράλληλα για να σχηµατίσουν τη βαθµίδα φορτίου ενώ τα δύο NMOS συνδέονται σε σειρά για να σχηµατίσουν τη βαθµίδα οδήγησης. Σχήµα 21. CMOS NAND (α) παρουσίαση φορτίων και οδηγών, (β) ιδανικό κύκλωµα διακοπτών. Όταν και οι δύο είσοδοι βρίσκονται σε υψηλή στάθµη, λογικό "1", οι δύο διακόπτες Α και Β της βαθµίδας οδήγησης θα είναι κλειστοί (τα τρανζίστορ Q2 και Q3 άγουν) µε αποτέλεσµα η έξοδος να έρχεται σε χαµηλό δυναµικό (λογικό "0"). Όταν τώρα έστω µια από τις εισόδους βρεθεί σε χαµηλή στάθµη το αντίστοιχο NMOS τρανζίστορ αποκόπτεται ενώ το συµπληρωµατικό του θα άγει (π.χ Q3 OFF, Q4 ON) και θα φέρνει την έξοδο Υ µέσω της µικρής του αντίστασης σε κατάσταση υψηλού δυναµικού (λογικό "1"), επιβεβαιώνοντας έτσι τη δράση της συγκεκριµένης συνδεσµολογίας ως πύλης NAND.