ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων MOS Ψηφιακά Κυκλώματα Κεφάλαιο 1 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Διάρθρωση 1. Άλγεβρα oole Χάρτης Karnaugh 2. MOS τρανζίστορ 3. Συνδεσμολογία τρανζίστορ 4. MOS λογική VLSI Sytem an omputer rhiteture Lab MOS Κυκλώματα 2 1
Συνδυαστική και Ακολουθιακή Λογική Είσοδοι In Συνδυαστικό Λογικό Κύκλωμα Έξοδοι Out Είσοδοι In Συνδυαστικό Λογικό Κύκλωμα Έξοδοι Out Συνδυαστική Λογική έξοδοι = f(εισόδων) Κατάσταση (Μνήμη) LK Ακολουθιακή Λογική έξοδοι = f(εισόδων, κατάστασης) MOS Κυκλώματα 3 Άλγεβρα oole (I) Αξιώματα και Θεωρήματα 0 1 1 0 1 1 0 0 Αντιμεταθετική: Προσεταιριστική: y y (y z) ( y) z y y (y z) ( y) z Επιμεριστική: (y z) y z (y z) ( y) ( z) e Morgan: y y y y y ( y) MOS Κυκλώματα 4 2
Άλγεβρα oole (II) Ελαχιστόροι και Μεγιστόροι y z Ελαχιστόροι Μεγιστόροι 000 001 010 011 100 101 110 111 y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z y z MOS Κυκλώματα 5 Λογικές Πύλες N y y y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 NN y y y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 OR y y y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 NOR y y y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 NOT 0 1 1 0 XOR y y 0 0 0 0 1 1 y 1 0 1 1 1 0 UER 0 0 1 1 XNOR y y y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 MOS Κυκλώματα 6 3
Ισοδυναμίες Πυλών e Morgan NN NOR Οικουμενικότητα των πυλών NN και NOR NN και NOR δυϊκές πύλες MOS Κυκλώματα 7 Χάρτης Karnaugh Πίνακας Αληθείας Α 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 Έστω η συνάρτηση: (( ) ( )) ή ( ) ( ) (( ) ( )) Χάρτης Karnaugh 00 01 11 10 00 1 1 0 1 01 1 1 0 1 11 0 0 0 0 10 1 1 0 1 MOS Κυκλώματα 8 4
ΠΗΓΗ n Αγωγός S p Το MOS Τρανζίστορ Δισδιάστατο (planar) MOS τρανζίστορ G ΠΥΛΗ p Υπόστρωμα ημιαγωγού τύπου n Μονωτής ΥΠΟΔΟΧΗ ΑΠΑΓΩΓΟΣ G S pmos τρανζίστορ Κυκλωματικά Σύμβολα SOURE p Αγωγός S n G GTE n RIN Μονωτής G nmos τρανζίστορ Υπόστρωμα ημιαγωγού τύπου p S Κυκλωματικά Σύμβολα MOS Κυκλώματα 9 Το MOS Τρανζίστορ ως Διακόπτης Ν διακόπτης =0 =0 g g=0 g=1 g g=1 =1 g=1 1 P διακόπτης g g =0 0 g=1 g=0 =1 =1 g=0 g=0 MOS Κυκλώματα 10 5
Ο Συμπληρωματικός Διακόπτης =0 =0 διακόπτης =0 =1 =1 =1 =1 =1 MOS Κυκλώματα 11 Επίδραση της Τάσης Κατωφλίου V t Η τάση κατωφλίου αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος του τρανζίστορ όπως θα δούμε αργότερα. Ισχυρό 1 Ασθενές 1 V V V tn Ισχυρό 0 1 0 Ασθενές 0 V tp MOS Κυκλώματα 12 6
Συνδεσμολογίες Τρανζίστορ (I) g 1 g 2 = 00 01 10 11 g 1 P g 1 0 1 g 2 P g 2 0 ON O 1 O O g 1 N Εν Σειρά Συνδεσμολογία g 1 g 2 = 00 01 10 11 g 1 0 1 0 O O g 2 N g 2 1 O ON MOS Κυκλώματα 13 Συνδεσμολογίες Τρανζίστορ (II) g 1 g 2 = 00 01 10 11 g 1 g P P 2 g 1 0 1 0 ON ON g 2 1 ON O Εν Παραλλήλω Συνδεσμολογία g 1 g 2 = 00 01 10 11 g 1 g N N 2 g 1 0 1 0 O ON g 2 1 ON ON MOS Κυκλώματα 14 7
Η MOS Λογική Αναστροφέας Πύλη NOT g είσοδος g V 1 έξοδος 0 NOT MOS Κυκλώματα 15 Μηχανικό Ισοδύναμο (I) Τροφοδοσία pmos = 0 = 1 nmos Τροφοδοσία MOS Κυκλώματα 16 8
Μηχανικό Ισοδύναμο (II) Τροφοδοσία pmos 1 = 0 nmos Τροφοδοσία MOS Κυκλώματα 17 Στατική MOS Πύλη Μόνο pmos In 1 In 2 PMOS δικτύωμα In N (In 1,In 2, In N ) Μόνο nmos In 1 In 2 In N NMOS δικτύωμα L Τα PMOS και NMOS λογικά δικτυώματα είναι συμπληρωματικά μεταξύ τους. Μόνο ένα από τα δύο δικτυώματα άγει όταν το κύκλωμα είναι σε κατάσταση ηρεμίας MOS Κυκλώματα 18 9
Στατικά MOS Κυκλώματα Σε κάθε χρονική στιγμή (εκτός των περιόδων όπου οι είσοδοι αλλάζουν τιμές) η έξοδος μιας MOS πύλης είναι πάντα συνδεδεμένη είτε με την τροφοδοσία είτε με την τροφοδοσία. Ποτέ, όταν ένα MOS κύκλωμα είναι σε ηρεμία, δεν μπορεί να είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους οι τροφοδοσίες και. Η ανωτέρω σύνδεση πραγματοποιείται είτε μέσω του pmos είτε μέσω του nmos δικτυώματος αντίστοιχα. Τα δικτυώματα αυτά όταν άγουν συμπεριφέρονται ως μία αντίσταση χαμηλής τιμής. Στην αντίθετη περίπτωση που δεν άγουν, η αντίσταση τους θεωρείται ιδανικά άπειρη. Εξαιρέσεις: Υπάρχουν κυκλώματα όπου ενδεχόμενα κανένα δικτύωμα δεν άγει και η έξοδος είναι αιωρούμενη (floating). Υπάρχουν κυκλώματα όπου ενδεχόμενα και τα δύο δικτυώματα άγουν ταυτόχρονα και η έξοδος είναι σε στάθμη διαμάχης (ontention). MOS Κυκλώματα 19 Η Πύλη NN 1 P P p=+ Σύμβολο N n =. Χάρτης Karnaugh 0 1 0 N e Morgan 0 1 1 1 1 0 p n MOS Κυκλώματα 20 10
Πύλη NN Πολλαπλών Εισόδων X X MOS Κυκλώματα 21 Η Πύλη NOR 1 P p =. Σύμβολο P Χάρτης Karnaugh n =+ 0 1 N N 0 1 0 1 0 0 0 MOS Κυκλώματα 22 11
Οι Πύλες N και OR p =. p=+ p n =+ n =. N OR MOS Κυκλώματα 23 Σύνθετες Πύλες (Ι) Υλοποίηση της συνάρτησης: (( ) ( )) pmos δικτύωμα ( ) ( ) Α nmos δικτύωμα Β (( ) ( )) MOS Κυκλώματα 24 12
Σύνθετες Πύλες (ΙΙ) Υλοποίηση της συνάρτησης: (( ) )) Χάρτης Karnaugh 00 01 11 10 00 1 1 1 1 pmos δικτύωμα 01 1 0 0 0 11 0 0 0 0 10 1 1 1 1 nmos δικτύωμα ( ) Α Β MOS Κυκλώματα 25 Σύνθετες Πύλες (ΙΙI) Υλοποίηση της συνάρτησης: ( ) ( ) pmos δικτύωμα nmos δικτύωμα ( ) Α Β MOS Κυκλώματα 26 13
MOS Πύλη Διέλευσης Συμβολισμοί V in V out = 0 = 1 nmos off pmos off V in = 0, V out = Z V in = 1, V out = Z nmos on pmos on V in = 0, V out = 0 V in = 1, V out = 1 R on Αντίσταση pmos Αντίσταση Πύλης Διέλευσης Ζ = κατάσταση υψηλής εμπέδησης ή αιώρησης (floating) Αντίσταση nmos V in MOS Κυκλώματα 27 Τρισταθής Αναστροφέας (α) In Out V in V out Σύμβολο (β) Πίνακας Αληθείας V in V out X 0 Z 0 1 1 1 1 0 V in Στάθμη Υψηλής Εμπέδησης Αιώρηση (high Z) V out MOS Κυκλώματα 28 14
Πολυπλέκτης S S 1 MUX 0 Σύμβολο S Πίνακας Αληθείας S X 0 0 0 () X 1 0 1 () 0 X 1 0 () 1 X 1 1() S MOS Κυκλώματα 29 LK Μανδαλωτής Q LK MOS Μανδαλωτής Lath LK Q Πίνακας Αληθείας LK Q Q bar Είσοδος Δεδομένων Ρολόι LK Q Σύμβολο Έξοδος Δεδομένων 0 0 Μνήμη 0 1 0 1 1 0 Μνήμη 1 1 1 0 Στοιχείο Μνήμης MOS Κυκλώματα 30 15
Το lip loplop Θετικά Ακμοπυροδότητο lip lop Πίνακας Αληθείας LK Q Q bar X 0 Μνήμη X 1 Μνήμη Είσοδος Δεδομένων Ρολόι Q LK Έξοδος Δεδομένων 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 X 1 0 Μνήμη Σύμβολο MOS Κυκλώματα 31 Σχεδίαση MOS lip loplop LK Q LK Q LK LK LK LK MOS Ακμοπυροδότητο Στοιχείο Μνήμης MOS Ege Triggere lip lop MOS Κυκλώματα 32 16
Λειτουργία lip lop lop Q Q LK = 0 low Q Q LK = 1 high MOS Κυκλώματα 33 17