ΑΣΚΗΣΗ 3 η Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ CMOS

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 3 η Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ CMOS ΘΕΩΡΙΑ Οι ασκήσεις 3 και 4 αφορούν τον αντιστροφέα CMOS, ο οποίος είναι η απλούστερη αλ α ταυτόχρονα και σημαντικότερη πύλη για την κατανόηση της λειτουργίας των Ολοκληρωμένων Κκλωμάτων (Ο.Κ) CMOS. Το θεωρητικό υπόβαθρο και για τις δύο ασκήσεις περιλαμβάνεται στις Παρ. 5.1, 5.2, 5.3, και 5.4. Το κυκλωματικό διάγραμμα ενός CMOS αντιστροφέα φαίνεται στο σχήμα 3.1. Όταν το σήμα εισόδου είναι το λογικό 0 το nmos τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή, ενώ το pmos τρανζίστορ περνάει την τάση τροφοδοσίας (VDD) στην έξοδο του αντιστροφέα. Όταν αντίθετα το σήμα εισόδου είναι το λογικό 1 το pmos τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή ενώ το nmos τρανζίστορ άγει και οδηγεί την έξοδο στη γείωση (VSS). Σχήμα 3.1. Κύκλωματικό διάγραμμα του αντιστροφέα CMOS ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Σχεδιασμός της περιοχής πολυκρυσταλλικού πυριτίου (polysilicon) Σχεδιάστε μία λωρίδα πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Το εύρος της λωρίδας αυτής πρέπει να είναι 2λ, που είναι το ελάχιστο επιτρεπτό εύρος του πολυκρυσταλλικού πυριτίου και το μήκος της 42λ. Για να βεβαιωθείτε ότι δεν παραβιάζετε τους κανόνες σχεδιασμού μπορείτε σε όποια φάση της σχεδίασης θέλετε να τρέξετε τον ελεγκτή των κανόνων σχεδιασμού (design rule checker) του εργαλείου. 2. Σχεδιασμός των λωρίδων διάχυσης (diffusion) Το επόμενο βήμα είναι η τοποθέτηση της διάχυσης. Αλλάξτε το επίπεδο σχεδιασμού σε διάχυση τύπου n (N+ diffusion, για την παλέτα του Microwind) και σχεδιάστε μία ορθογώνια περιοχή στο κάτω μέρος του σχεδίου. Η τομή μεταξύ αυτής της περιοχής και της λωρίδας πολυκρυσταλλικού πυριτίου δημιουργεί το κανάλι ενός NMOS στοιχείου. Το πλάτος της λωρίδας πρέπει να είναι το ελάχιστο επιτρεπτό (4λ). Το μήκος της να είναι 12λ και να τοποθετηθεί συμμετρικά ως προς το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Η επέκταση του πολυκρυσταλλικού πυριτίου να είναι τουλάχιστον 3λ. Στη συνέχεια αλλάξτε το επίπεδο του σχεδιασμού σε διάχυση τύπου p (P+ diffusion, για την παλέτα του Microwind) και σχεδιάστε μια ορθογώνια περιοχή η οποία τέμνει τη λωρίδα του πολυκρυσταλλικού πυριτίου στο πάνω μέρος της. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία του καναλιού του PMOS στοιχείου, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το πλάτος του PMOS τρανζίστορ να είναι τριπλάσιο από αυτό του NMOS, δηλαδή η διάχυση τύπου p πρέπει να είναι 12λx12λ. Η απόσταση μεταξύ των διαχύσεων τύπου n και p να είναι 20λ 16

2 12λ 12λ 42λ 20λ 4λ Σχήμα 3.2. Διάγραμμα τοποθέτησης των transistors του αντιστροφέα. 3. Σχεδιασμός του πηγαδιού τύπου-n (n-well) Για να ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός του PMOS στοιχείου, αλλάξτε από την παλέτα εργασίας το επίπεδο σχεδιασμού σε n-well και σχεδιάστε μια ορθογώνια περιοχή (24λ x 32λ) γύρω από τη λωρίδα διάχυσης p-τύπου, που αποτελεί το πηγάδι μέσα στο οποίο κατασκευάζεται το PMOS στοιχείο, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα 24λ 32λ Σχήμα 3.3. Οι διαστάσεις του N-well. 4. Σχεδιασμός λωρίδων μετάλλου για τροφοδοσία και γείωση Επιλέξτε ως επίπεδο σχεδιασμού το μέταλλο 1 και σχεδιάστε δύο λωρίδες από τις οποίες η μία αντιστοιχεί στην τροφοδοσία και η άλλη στη γείωση του αντιστροφέα με πλάτος 8λ. Η απόσταση από το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο πρέπει να είναι 3λ. 17

3 35λ Σχήμα 3.4. Τοποθέτηση μεταλλικών λωρίδων τροφοδοσίας και γείωσης 5. Τοποθέτηση επαφών και διασυνδέσεις Επιλέξτε τις κατάλληλες επαφές (diffn/metal και diffp/metal) για να δημιουργήσετε τη σύνδεση του κόμβου εξόδου, καθώς και τις συνδέσεις της τροφοδοσίας και της γείωσης, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Μπορείτε να επιλέξετε το είδος της επαφής που θέλετε από την παλέτα. Επίσης αν χρησιμοποιήσετε το κουμπί Complex contacts της παλέτας μπορείτε να βρείτε εντολές δημιουργίας και άλλων ειδών επαφών εκτός από αυτές που βρίσκονται έτοιμες στην πρώτη γραμμή της παλέτας. Η είσοδος του αντιστροφέα έχει τοποθετηθεί σε δεύτερο επίπεδο μετάλλου (metal2) επομένως για να γίνει η σύνδεση πρέπει να τοποθετηθούν δύο επαφές poly/metal1 και metal1/metal2. Σχήμα 3.4. Διασύνδεση τροφοδοσίας, γείωσης, εισόδου και εξόδου. 6. Επαφές πόλωσης πηγαδιού και υποστρώματος Στα CMOS κυκλώματα το πηγάδι τύπου n πρέπει να πολωθεί στην τάση τροφοδοσίας και το υπόστρωμα πρέπει να γειωθεί. Συνδέστε το πηγάδι τύπου n στην τροφοδοσία χρησιμοποιώντας 18

4 την επαφή diffn/metal από τις επαφές που βρίσκονται πάνω στην παλέτα, και το υπόστρωμα στην γείωση χρησιμοποιώντας την επαφή diffp/metal, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.5. Σχήμα 3.5. Ο φυσικός σχεδιασμός (layout) του αντιστροφέα. 7. Έλεγχος Σχεδιαστικών λαθών Ενεργοποιήστε τον Design Rule Checker από το σχετικό εικονίδιο και διορθώστε τα σφάλματα του φυσικού σχεδιασμού του αντιστροφέα. 8. Παρατήρηση της εγκάρσιας τομής του κυκλώματος Επιλέγοντας το κατάλληλο εικονίδιο μπορείτε να δείτε εγκάρσια τομή ή 3-D απεικόνιση του αντιστροφέα που έχετε σχεδιάσει. Για παράδειγμα η τομή του PMOS στοιχείου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 8. Προετοιμασία για εξομοίωση του CMOS Αντιστροφέα Καθορισμός εισόδου, εξόδου και τροφοδοσίας του αντιστροφέα Δώστε στον κόμβο εισόδου του αντιστροφέα το όνομα inp και στην έξοδο το όνομα out και κάντε τα σήματα ορατά στην εξομοίωση. Επίσης να θέσετε την περιοχή της διάχυσης τύπου p στην τάση τροφοδοσίας (VDD = 1.2 Volts) και την περιοχή διάχυσης n-τύπου στην γη (Vss=0 Volts) χρησιμοποιώντας τα αντίστοιχα εικονίδια. 19

5 Σχήμα 3.6. Ο αντιστροφέας με σήματα εισόδου-εξόδου, και τροφοδοσία. Καθορισμός της διέγερσης του κυκλώματος Εφαρμόσετε συνεχόμενους παλμούς στην είσοδο (INP) του αντιστροφέα χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο εικονίδιο (Add a clock) από την παλέτας εργασίας. Στο παράθυρο που εμφανίζεται να ορίσετε έναν παλμό με διάρκεια low και high 450 psec και χρόνο ανόδου και καθόδου 50psec. Η περίοδος του παλμού είναι ( ) psec = 1 nsec. 9. Εκτέλεση της εξομοίωσης Βεβαιωθείτε ότι έχετε επιλέξει το μοντέλο BSIM4 για τα transistors (Simulation --> Simulation parameters) και ακολούθως εκτελέστε την εξομοίωση του layout του αντιστροφέα. Οι κυματομορφές της εισόδου και της εξόδου που προκύπτουν από την εξομοίωση φαίνονται στο σχήμα

6 Σχήμα 3.7. Οι κυματομορφές εισόδου-εξόδου του αντιστροφέα. 10. Μέτρηση των ρευμάτων που διαρρέουν τον αντιστροφέα. Στο παράθυρο της εξομοίωσης επιλέξτε την κάρτα Voltages and Currents για να παρατηρήσετε τα ρεύματα που διαρρέουν το κύκλωμα. Στο πάνω τμήμα της οθόνης εμφανίζονται τα ρεύματα του pmos και του nmos transistor ενώ στο κάτω εμαφανίζονται οι κυματομορφές της τάσης της εισόδου και της εξόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8. Παρατηρείστε ότι το κύκλωμα διαρέεται από ρεύμα μόνο στη διάρκεια της μετάβασης της εξόδου ενώ στη σταθερή κατάσταση το ρεύμα είναι μηδενικό. Σχήμα 3.8. Τάσεις και ρεύματα του αντιστροφέα 11. Παραγωγή της χαρακτηριστικής μεταφοράς Επιλέξτε στη συνέχεια την κάρτα Voltage vs.voltage στο παράθυρο της εξομοίωσης, για να παρατηρήσετε τη χαρακτηριστική μεταφοράς του αντιστροφέα, που φαίνεται στο σχήμα 3.9. Το λογικό κατώφλι (logic threshold) του αντιστροφέα είναι η τάση εισόδου όπου V out = V dd /2, το οποίο στη περίπτωσή μας είναι V (πολύ κοντά στο ιδανικό 0.6 V). 21

7 Σχήμα 3.9. Η χαρακτηριστική μεταφοράς (Vout vs Vin) του αντιστροφέα. 22