ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ - VLSI Ενότητα: Ο Αντιστροφέας CMOS Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. 1

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΣΚΗΣΗ 3η: Ο αντιστροφέας (inverter) CMOS... ΑΣΚΗΣΗ 4η: Παραμετρική εξομοίωση αντιστροφέα CMOS με φορτίο... 3

ΑΣΚΗΣΗ 3η 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 4

του NMOS, δηλαδή η διάχυση τύπου p πρέπει να είναι 12λx12λ. Η απόσταση μεταξύ των διαχύσεων τύπου n και p να είναι 20λ 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 6λ 6λ Σχήμα 3.3. Οι διαστάσεις του N-well. 5

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. 35λ 6λ 6λ 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

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 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: 7

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. 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 (450+50+450+50) 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 3.7. 8

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 9

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 Vout = Vdd/2, το οποίο στη περίπτωσή μας είναι 0.588 V (πολύ κοντά στο ιδανικό 0.6 V). Σχήμα 3.9. Η χαρακτηριστική μεταφοράς (Vout vs Vin) του αντιστροφέα. ΑΣΚΗΣΗ 4η ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ CMOS ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ ΘΕΩΡΙΑ Ο αντιστροφέας CMOS. (Παρ. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Εξομοίωση CMOS αντιστροφέα με φορτίο Α. Εξομοιώστε τον αντιστροφέα της προηγούμενης άσκησης με φορτίο 0.02 pf για σήμα εισόδου με tlow=thigh=1.9nsec και tr=tf=0.05nsec. Χρησιμοποιήστε το μοντέλο BSIM4. Καταγράψτε την καθυστέρηση ανόδου και καθόδου της εξόδου. Tdrise =., Tdfall = Προσδιορίστε το μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος (short-circuit current) στις παρυφές ανόδου και καθόδου. Iscr = Iscf = και το ρεύμα του φορτίου Ir = If = Από τις επιλογές του εξομοιωτή χρησιμοποιήστε τη λογαριθμική κλίμακα για το ρεύμα η οποία προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια. 10

Β. Τροποποιήστε το φυσικό σχεδιασμό (layout) ώστε να παρουσιάζει καθυστέρηση ανόδου και καθόδου 25 psec. Το πλάτος καναλιού του nmos πρέπει να γίνει περίπου 16λ και του pmos περίπου 32λ. Tdrise =., Tdfall = Γ. Προσδιορίστε το μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος στις παρυφές ανόδου και καθόδου. = Iscf = και το ρεύμα του φορτίου Ir = If = Iscr Δ. Μελετήστε τη μεταβολή των παραπάνω παραμέτρων (καθυστέρηση ανόδου και καθόδου και μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος και μέγιστο ρεύμα φορτίου) ως συνάρτηση του χρόνου ανόδου και καθόδου της εισόδου. Συμπληρώστε τον επόμενο πίνακα με τις αντίστοιχες τιμές για χρόνο ανόδου-καθόδου στην είσοδο 0.05nsec, 0.1nsec, 0.3nsec, 0.8nsec. C=0.02pF Inp rise/fall Tdrise Tdfall Iscr Ir 0,05 nsec 0,1 nsec 0,3 nsec 0,8 nsec Ε. Συμπληρώστε τους επόμενους πίνακες για φορτίο εξόδου 0.03, 0.05, 0.08 και 0.1 pf. Inp rise/fall 0,05 nsec 0,1 nsec 0,3 nsec 0,8 nsec Inp rise/fall 0,05 nsec 0,1 nsec 0,3 nsec 0,8 nsec Inp rise/fall 0,05 nsec 0,1 nsec 0,3 nsec 0,8 nsec Inp rise/fall 0,05 nsec 0,1 nsec 0,3 nsec 0,8 nsec Tdrise C=0.03pF Tdfall Iscr Ir Tdrise C=0.05pF Tdfall Iscr Ir Tdrise C=0.08pF Tdfall Iscr Ir Tdrise C=0.1pF Tdfall Iscr Ir 11

Z. Τοποθετείστε τις μετρήσεις για την ανοδική παρυφή της εξόδου του αντιστροφέα στα παρακάτω διαγράμματα. Διάγραμμα καθυστέρησης ανόδου του αντιστροφέα ως προς το φορτίο εξόδου Διάγραμμα ρεύματος βραχυκυκλώματος και φορτίου του αντιστροφέα ως προς το φορτίο εξόδου 12

2. Παραμετρική Ανάλυση του αντιστροφέα Οι καμπύλες που προέκυψαν από τις μετρήσεις που πραγματοποιήσατε στο πρώτο μέρος της άσκησης μπορεί να παραχθούν από τον εξομοιωτή με τη διαδικασία της παραμετρικής ανάλυσης. Πριν εκτελέσετε την διαδικασία της παραμετρικής ανάλυσης του κυκλώματος, να επιλέξετε το μοντέλο BSIM4 (Simulation --> Simulation parameters) και να κάνετε netlist extraction του κυκλώματος (επιλογή Extract στο ίδιο menu). Επίσης, πρέπει να τρέξετε μία εξομοίωση του κυκλώματος. Επιλέξτε την εντολή Parametric Analysis από το μενού Analysis και πατήστε με το ποντίκι τον κόμβο της εξόδου του αντιστροφέα. Εμφανίζεται το παράθυρο που φαίνεται στο σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1. Επιλογές παραμετρικής ανάλυσης στο Microwind. Στο παράθυρο αυτό μπορείτε να επιλέξετε από το παράθυρο Measurement το μέγεθος για το οποίο θα γίνει η παραμετρική ανάλυση ως προς μία από τις τρεις παραμέτρους χωρητικότητα εξόδου, τάση τροφοδοσίας και θερμοκρασία. Το εύρος μεταβολής των παραμέτρων καθορίζεται από την αντίστοιχη φόρμα range. Τέλος πατώντας το κουμπί Start Analysis ξεκινά μία επαναληπτική διαδικασία, η οποία πραγματοποιεί εξομοιώσεις και εμφανίζει στo διπλανό παράθυρο τα αποτελέσματα. Προσοχή στη ρύθμιση των παραμέτρων των παλμών εισόδου γιατί η απόκριση του κυκλώματος μπορεί να είναι πολύ αργή για κάποιες ακραίες τιμές της παραμέτρου ως προς την οποία γίνεται η ανάλυση, π.χ. μεγάλη χωρητικότητα εξόδου και να παίρνετε λάθος 13

αποτελέσματα. Χρησιμοποιήστε τον παλμό εισόδου με περίοδο τουλάχιστον ίση με αυτή που δίνεται στο βήμα 1Α. Α. Πραγματοποιήστε παραμετρική ανάλυση της καθυστέρησης ανόδου και καθόδου του αντιστροφέα για χωρητικότητα εξόδου 0 έως 0.3pF με βήμα 20 ff. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα με αυτά από το πρώτο μέρος της άσκησης. Β. Πραγματοποιήστε παραμετρική ανάλυση της κατανάλωσης ισχύος του αντιστροφέα για χωρητικότητα εξόδου 0 έως 500 ff με βήμα 50 ff. Είναι αποδεκτό το ρολόι που ορίσατε στο πρώτο βήμα του πρώτου μέρους; Γ. Κάντε παραμετρική ανάλυση της κατανάλωσης ισχύος ως προς την τάση τροφοδοσίας από 0.8V έως 1.5V με βήμα 0.1V. ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ Α. Σχεδιάστε και εξομοιώστε τη βέλτιστη ως προς την καθυστέρηση αλυσίδα τριών αντιστροφέων με φορτίο εξόδου 2pF, ξεκινώντας με μοναδιαίο αντιστροφέα (ελάχιστο επιτρεπτό NMOS τρανζίστορ και PMOS τέτοιο ώστε να παρουσιάζει την ίδια καθυστέρηση ανόδου και καθόδου με φορτίο εξόδου ίσο με το φορτίο εισόδου). Τυπώστε όλες τις ενδιάμεσες κυματομορφές και τις αντίστοιχες καθυστερήσεις. Β. Υπολογίστε θεωρητικά πόσα στάδια έχει η βέλτιστη αλυσίδα για την οδήγηση του φορτίου αυτού. Ποια είναι η σχέση της καθυστέρησης της βέλτιστης αλυσίδας με αυτήν που σχεδιάσατε στο πρώτο βήμα; 14