ΑΣΚΗΣΗ 2 η N-MOS ΚΑΙ P-MOS TRANSISTOR ΩΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑ 1. Εργαλεία εξομοίωσης, SPICE, αρχεία περιγραφής κυκλωμάτων (netlist) (Παρ. 3.4, σελ 152-155) 2. To transistor ως διακόπτης, πύλη διέλευσης. (Παρ 3.3.2 σελ. 137-143, Παρ. 6.2.1 σελ. 290-291 (εικ. 6.3), Παρ. 6.2.3 σελ. 337-338) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. Μεταβατική απόκριση του transistor ως διακόπτη. Για να εξομοιωθεί η χρονική απόκριση ενός κυκλώματος γίνεται χρήση του ενσωματωμένου εξομοιωτή (built-in simulator), ο οποίος όπως ειπώθηκε στην προηγούμενη άσκηση είναι βασισμένος στο SPICE. Επιλέγοντας το menu simulate από τη γραμμή των pull-down menus του MICROWIND μπορείτε να καθορίσετε τις παραμέτρους της εξομοίωσης. ΠΡΟΣΟΧΗ: Για να παίρνετε αξιόπιστα αποτελέσματα πρέπει να επιλέγετε πάντα εξομοίωση με χρήση του μοντέλου BSIM4 για τα τρανζίστορ. Από το menu Simulate --> Simulation parameters --> MOS Model απιλέξτε Advanced BSIM4. Για να εξομοιώσετε το κύκλωμά σας επιλέξτε το Run Simulation από τη μπάρα εργαλείων του Microwind. Για να γίνει εξομοίωση στο πεδίο του χρόνου και να εμφανιστούν οι σχετικές κυματομορφές πρέπει να δώσετε ονόματα στους κόμβους του κυκλώματος και να ορίσετε τις τροφοδοσίες (Vdd και Vss). Τα εργαλεία για την εκτέλεση των διαδικασιών αυτών βρίσκονται στην τρίτη γραμμή εργαλείων της παλέτας εργασίας. Αρχικά επιλέγετε την ιδιότητα που θέλετε να δώσετε σε έναν κόμβο και ακολούθως πρέπει να επιλέξετε με το αριστερό πλήκτρο του mouse τον κόμβο στον οποίο θέλετε να βάλετε τη συγκεκριμένη ιδιότητα. ΠΡΟΣΟΧΗ για να αποφεύγονται λάθη στην εξομοίωση όταν ορίζετε έναν κόμβο καλό είναι επιλέγετε ένα σημείο στο οποίο δεν υπάρχουν πολλαπλά επίπεδα του φυσικού σχεδιασμού. - Για την τάση τροφοδοσίας επιλέγετε το Vdd supply - Για τη γείωση επιλέγετε το Ground - Για να δώσετε όνομα σε έναν κόμβο ο οποίος θέλετε να εμφανίζεται στα αποτελέσματα της εξομοίωσης το Visible node - Για να δώσετε παλμούς εισόδου σε έναν κόμβο επιλέγετε, το Add a clock από την παλέτα και εμφανίζεται το παράθυρο του σχήματος 2.1 που σας παρέχει τη δυνατότητα να ορίσετε το όνομα του κόμβου και να επιλέξετε τους χρόνους και και το εύρος των παλμών. Το αν η κυματομορφή αυτή θα εμφανίζεται στην εξομοίωση καθορίζεται από το Visible in Simulation κάτω δεξιά. Με τα κουμπιά Slower και Faster διπλασιάζετε ή υποδιπλασιάζετε την περίοδο του σήματος χρονισμού ενώ το ~ Last Clock αντιστρέφει το σήμα χρονισμού διατηρώντας σταθερή την περίοδο. ΠΡΟΣΟΧΗ το Add a pulse χρησιμοποιείται όταν πρέπει να τοποθετηθεί ένας μόνο παλμός ενώ το Add a Clock για περιοδική παλμοσειρά. 10
Σχήμα 2.1 Το παράθυρο ορισμού σήματος χρονισμού (Add a Clock) 1. Σχεδιάστε ένα n-mos transistor με διαστάσεις W=0.24μm και L=0.12μm χρήση της γεννήτριας στοιχείων. 2. Δώστε τους παρακάτω παλμούς στους ακροδέκτες του transistor. 2.1. Στο drain το όνομα inp και ένα παλμό με διάρκεια low και high 475 psec και χρόνο και 25psec. Η περίοδος του παλμού είναι (475+25+475+25) psec = 1 nsec. 2.2 Στο gate το όνομα enable και παλμό με διάρκεια low και high 3.975 nsec και χρόνο και 25psec (περίοδος 8 nsec), 2.3. Στο source το όνομα out και visible in simulation. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται το κύκλωμα με τα ονόματα των σημάτων. Με bold εμφανίζονται οι κόμβοι οι οποίοι οδηγούνται από παλμούς και με Italics οι κόμβοι οι οποίοι εμφανίζονται στις κυματομορφές στο παράθυρο της εξομοίωσης. 3. Επιβεβαιώστε ότι χρησιμοποιείτε το μοντέλο BSIM4 και εκτελέστε την εξομοίωση από το Run Simulation της γραμμής εργαλείων. Στην οθόνη σας θα εμφανιστεί το παράθυρο των αποτελεσμάτων της εξομοίωσης όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3. Στη δεξιά πλευρά του παραθύρου υπάρχουν επιλογές για τη διαχείριση των αποτελεσμάτων. Πάνω δίνεται η δυνατότητα επιλογής των κόμβων μεταξύ των οποίων υπολογίζεται το delay που σημειώνεται πάνω στις κυματομορφές, Ακολούθως μπορεί να καθοριστεί το χρονικό παράθυρο για το οποίο δίνονται τα αποτελέσματα στην οθόνη και το βήμα που χρησιμοποιεί ο εξομοιωτής. Για να ενεργοποιηθεί οποιαδήποτε αλλαγή κάνετε πρέπει να πατήσετε το πλήκτρο RESET ή More. Επίσης δίνεται η δυνατότητα να σταματήσετε μία εξομοίωση η οποία απαιτεί μεγάλο χρόνο αν για παράδειγμα βάλετε πολύ μικρό βήμα στον εξομοιωτή. 11
Σχήμα 2.3 Απόκριση nmos transistor σε τετραγωνικούς παλμούς χωρίς φορτίο. 4. Γιατί η έξοδος δεν παίρνει μέγιστη τιμή την τιμή της τάσης τροφοδοσίας (1,2V); 5. Τοποθετήστε έναν πυκνωτή 50 ff στην έξοδο χρησιμοποιώντας την επιλογή Add virtual capacitance από την παλέτα. Ο πυκνωτής έχει πάντα τον έναν ακροδέκτη του συνδεδεμένο στη γείωση (Ground). 6. Εκτελέστε την εξομοίωση του κυκλώματος χωρίς να αλλάξετε τους παλμούς εισόδου. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα 2.4. 7. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για διαφορετικές τιμές του φορτίου. nmos W=0.24 μm και L=0.12 μm Φορτίο 2 6 10 12
Σχήμα 2.4. Απόκριση nmos transistor σε τετραγωνικούς παλμούς με φορτίο 50fF. 8. Για να γίνουν και πάλι τετραγωνικοί οι παλμοί στην έξοδο πρέπει να αυξήσετε το W του transistor περίπου πέντε φορές σε σχέση με το αρχικό (W=0,24 x 6 = 1,44 μm ή 24λ). Σχεδιάστε ένα transistor με τις νέες διαστάσεις τροποποιώντας το κύκλωμά σας με χρήση της εντολής move/strech, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Παρατηρείστε ότι για να μειωθεί η αντίσταση των επαφών στο source και το drain χρησιμοποιήθηκαν πολλές επαφές ndiff/metal1. Σχήμα 2.5. NMOS transistor με W=24λ. 8. Ελέγξτε την ορθότητα του layout με τον Design Rule Checker και διορθώστε τα σφάλματα, αν υπάρχουν. 13
9. Εξομοιώστε το κύκλωμα βάζοντας φορτίο 50 ff ώστε να προκύψουν τα αποτελέσματα του σχήματος 2.6. Σχήμα 2.6. Απόκριση nmos transistor με W=24λ και φορτίο 50fF. 10. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για διαφορετικές τιμές του φορτίου. nmos W=1.44 μm και L=0.12 μm Φορτίο 2 6 10 11. Επαναλάβατε τα παραπάνω βήματα 1 10 για ένα p-mos τρανζίστορ με αρχικές διαστάσεις W=0.72 μm και L=0.12 μm και συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες. ΠΡΟΣΟΧΗ: Για να γίνει σωστή εξομοίωση το πηγάδι τύπου n πρέπει να πολωθεί στην τάση τροφοδοσίας Vdd 14
Φορτίο 2 6 10 pmos W=0.72 μm και L=0.12 μm Φορτίο 2 6 pmos W=4.32 μm και L=0.12 μm 10 12. Τι παρατηρείτε στον παλμό ; Συγκρίνετέ τον με αυτόν του n-mos τρανζίστορ. ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ 1. Σχεδιάστε και εξομοιώστε κύκλωμα το οποίο λειτουργεί ως διακόπτης και εμφανίζει στην έξοδό του τους παλμούς εισόδου χωρίς αλλοίωση του πλάτους και για τις δύο λογικές στάθμες Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται πύλη διέλευσης (transmission gate). Αρχικά χρησιμοποιήστε μοναδιαίο nmos και pmos με τριπλάσιο πλάτος καναλιού. 2. Συμπληρώστε πίνακα ίδιο με αυτόν του εργαστηριακού μέρους της άσκησης για διαφορετικά φορτία από 0 έως 100 ff. 3. Τροποποιήστε το κύκλωμά σας ώστε με φορτίο 80 ff να παρουσιάζει καθυστέρηση μικρότερη από ή ίση με 15 psec και η διαφορά της καθυστέρησης μεταξύ ανοδικής και καθοδικής παρυφής να είναι το πολύ 10%. 4. Συμπληρώστε πίνακα ίδιο με αυτόν του εργαστηριακού μέρους της άσκησης για διαφορετικά φορτία από 0 έως 100 ff. 15