ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων CMOS Αναστροφέας Κεφάλαιο ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας VLSI Systems ad Computer Architecture Lab ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Διάρθρωση 1. I V χαρακτηριστική αναστροφέα. Στατική χαρακτηριστική μεταφοράς 3. Κατώφλι μετάβασης 4. Περιθώρια θορύβου 5. Φαινόμενο latch up 1
Περιοχές Λειτουργίας MOS Αποκοπή Γραμμική Κόρος pmos V GSp < V tp V GSp < V tp V GSp > V tp < V tp + < V tp + > V tp + V DSp > V GS V tp < V tp V DSp < V GS V tp > V tp MOS V GS < V t V GS > V t > V t V GS > V t > V t Gd CMOS Αναστροφέας < V t V DS < V GS V t > V t V DS > V GS V t < V t Ο CMOS Αναστροφέας 3 Χαρακτηριστική CMOS Αναστροφέα (Ι) I D V GS4 V GS3 V GS MOS V DSp V GS1 V GS V t V GSp V tp V DS V GSp1 pmos V GSp V GSp3 I Dp V GSp4 Ο CMOS Αναστροφέας 4
Χαρακτηριστική CMOS Αναστροφέα (ΙΙ) I Dp I D V GSp p GS V DSp V DS V DSp + V DSp Ι Dp = V DS = + V DSp Ο CMOS Αναστροφέας 5 Χαρακτηριστική CMOS Αναστροφέα (ΙΙΙ) V GSp V DSp I Dp I D p +V GSp p = + V DSp p GS V GS =V DS Gd= Gd = = V GS = + V GSp V DS = + V DSp Ο CMOS Αναστροφέας 6 3
Χαρακτηριστική CMOS Αναστροφέα (ΙV) I D p =V Τεχνολογία 5m =.5V =.5V.5V PMOS p =.5V NMOS =V 1.5V 1.5V.5V p =1V =1.5V =1.5V =1V V i =V =.5V p =1.5V p =V =1V =.5V =.5V 5V =V p =.5V =V Η χαρακτηριστική =f( ) προσδιορίζεται από τα σημεία με κοινό V GS ( =p και I D =I Dp ) Ο CMOS Αναστροφέας 7 Στατική (DC) Χαρακτηριστική Μεταφοράς (I) Χαρακτηριστική Εισόδου Εξόδου [ =f( )] I D = I Dp A B / C D V t / +V tp E Ο CMOS Αναστροφέας 8 4
Στατική (DC) Χαρακτηριστική Μεταφοράς (II) V tp / V t A B pmos Γραμμική MOS Αποκοπή C MOS Κόρος pmos Κόρος D +V tp ή pmos Αποκοπή MOS Γραμμική E V t / +V tp Στην περιοχή C τα δύο τρανζίστορ είναι στον κόρο και συμπεριφέρονται σαν πηγές ρεύματος. Υπάρχει μία τάση εισόδου γιατηνοποίαισχύει = και η τάση αυτή ονομάζεται κατώφλι μετάβασης (V Μ ) της λογικής πύλης. Σε αυτή την τάση το σύστημα είναι σε ασταθή ισορροπία. V tp < (Εδώ το κατώφλι μετάβασης είναι /, θεωρώντας ότι ισχύει p = ). Ο CMOS Αναστροφέας 9 Ανάλυση Χαρακτηριστικής Μεταφοράς Περιοχή Συνθήκη pmos MOS Έξοδος A V t Γραμμική Αποκοπή = B V t < / Γραμμική Κόρος =f( ) C = / Κόρος Κόρος f( ) D / < V tp Κόρος Γραμμική =f( ) E V tp Αποκοπή Γραμμική = Gd Ο CMOS Αναστροφέας 1 5
A B V Μ Κατώφλι Μετάβασης C MOS Κόρος pmos Κόρος D +V tp V t V Μ +V tp Αν ζητάμε κάποιο συγκεκριμένο κατώφλι μετάβασης V M τότε ο απαιτούμενος λόγος των πλατών των τρανζίστορ (για ίδια L) θα δίδεται από: E Στην περιοχή C τα δύο τρανζίστορ είναι στον κόρο. Εξισώνοντας τα ρεύματά τους για τάση = =V M παίρνουμε: p (VM Vt) (VM VDD Vtp ) p p (V W μp (V W μ M VDD Vtp) (VM Vt) μ t ε W L M VDD Vtp) (VM Vt) Ο CMOS Αναστροφέας 11 p/ p / ox L = L p / p και Χαρακτηριστική Μεταφοράς (V V V ) M DD.1 tp 1 p p (VM Vt) VDD VM V t = V tp / 1 p p 1 p/ / μ t p/ t ox ε W L V t / +V tp Με δεδομένο ότι μ > μ p, θα πρέπει W p > W ώστε p = και V M = /! Ο CMOS Αναστροφέας 1 6
Δυναμική Χαρακτηριστική Μεταφοράς Δυναμική Χαρακτηριστική (Ακαριαία Μετάβαση 1) Στατική Χαρακτηριστική Μεταφοράς A B Δυναμική Χαρακτηριστική (Γρήγορη Μετάβαση 1) / C D V t / +V tp E Ο CMOS Αναστροφέας 13 Περιθώρια Θορύβου (I) Περιοχή Λογικού 1 Εξόδου Περιοχή Λογικού Εξόδου Εύρος Τιμών Εξόδου V OHmi V IHmi Περιθώρια Θορύβου V OLmax V ILmax Gd NM H NM L Εύρος Τιμών Εισόδου Εύρος Τιμών Εισόδου Περιοχή Λογικού 1 Εισόδου NM H =V OHmi V IHmi NM L =V ILmax V OLmax Περιοχή Λογικού Εισόδου V OHmi = ελάχιστη τάση εξόδου για 1 V ΙHmi = ελάχιστη τάση εισόδου για 1 V OLmax = μέγιστη τάση εξόδου για V ΙLmax = μέγιστη τάση εισόδου για Ο CMOS Αναστροφέας 14 7
Περιθώρια Θορύβου (II) dv dv out i 1 V OH V M dv dv out i g (V g V OH IH V V OL IL ) V OL V IH V IL V M Ο CMOS Αναστροφέας 15 Υλοποίηση CMOS Αναστροφέα Gd + p + p + πηγάδι + + p + p υπόστρωμα Ο CMOS Αναστροφέας 16 8
Φαινόμενο Latch Up Gd + p + p + + + p + p pp p Ο CMOS Αναστροφέας 17 9