ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Συνδυαστική Λογική Κεφάλαιο 9 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ VLSI Διάρθρωση 1. Στατική CMOS λογική και λογική 2. Διαφορική λογική 3. Λογική πυλών διέλευσης 4. Δυναμική CMOS λογική 5. omino CMOS λογική 6. NOR λογική VLSI Systems and Computer rchitecture Lab 7. Διαφορική omino Λογική CMOS Λογικές ομές 2 1
Στατική ή Πλήρης CMOS Λογική C ull CMOS Α Β C (( C) )) Σε κάθε χρονική στιγμή (εκτός από τους χρόνους μετάβασης) η έξοδος κάθε πύληςείναισυνδεδεμένηείτεμετο είτε με το μέσω ενός μονοπατιού χαμηλής αντίστασης. Οι έξοδοι των πυλών φέρουν σε κάθε χρονική στιγμή τη λογική τιμή της συνάρτησης oole που υλοποιείται από το κύκλωμα (εκτός πάλι από τους χρόνους μετάβασης). CMOS Λογικές ομές 3 Ιδιότητες Στατικής CMOS Λογικής Πλήρεις μεταβάσεις σε και : υψηλά περιθώρια θορύβου (V OH =,V OL =) Τα λογικά επίπεδα τάσεων στις εξόδους δεν εξαρτώνται από τα σχετικά μεγέθη των τρανζίστορ Πάντα υπάρχει ένα μονοπάτι μεταξύ εξόδου και ή στην κατάσταση ηρεμίας: χαμηλή εμπέδηση εξόδου Εξαιρετικά υψηλή αντίσταση εισόδου: σχεδόν μηδενικό ρεύμα εισόδου στην ηρεμία Στην κατάσταση ηρεμίας δεν υπάρχει μονοπάτι που να συνδέει και : πολύ μικρή κατανάλωση ισχύος στην ηρεμία Η καθυστέρηση σήματος είναι συνάρτηση της χωρητικότητας φόρτου και των αντιστάσεων των τρανζίστορ CMOS Λογικές ομές 4 2
και Ψευδο Λογική Τρανζίστορ Αραίωσης (epletion Transistor) (( C) )) Ψευδο Α Β C Α Β C CMOS Λογικές ομές 5 Ιδιότητες & Ψευδο Λογικής Μη πλήρεις μεταβάσεις σε : μειωμένα περιθώρια θορύβου (V OH =, V OL >) Τα λογικά επίπεδα τάσεων στις εξόδους εξαρτώνται από τα σχετικά μεγέθη των τρανζίστορ Εξαιρετικά υψηλή αντίσταση εισόδου: σχεδόν μηδενικό ρεύμα εισόδου στην ηρεμία Στην κατάσταση ηρεμίας υπάρχει μονοπάτι που συνδέει και : στατική κατανάλωση ισχύος CMOS Λογικές ομές 6 3
Διαφορική Λογική CVS ifferential Cascοde Voltage Switch Logic (( C) )) IN Διαφορικό IN Α Β C C CMOS Λογικές ομές 7 Η Λογική των Πυλών Διέλευσης Ιδιαίτερη μέριμνα για μη καταστρατήγηση των αρχών σχεδίασης κυκλωμάτων CMOS C ody effect G Path 2 Διάδοση θορύβου Υψηλές απαιτήσεις ικανότητας οδήγησης K In y Path 1 x C κατανάλωση ισχύος Out Path n Περιορισμένη ικανότητα οδήγησης CMOS Λογικές ομές 8 4
Λογική Πυλών Διέλευσης με Αποκατάσταση Β Ασθενές Τρανζίστορ Αποκατάστασης Στάθμης x = Α + Β Β CMOS Λογικές ομές 9 CMOS Πύλη Διέλευσης CMOS Πύλη Διέλευσης CMOS Διακόπτης Εναλλακτικό Σύμβολο CMOS Διακόπτη Πλεονεκτήματα Υψηλή Ταχύτητα Μικρό Κόστος σε Επιφάνεια Πυριτίου Χαμηλή Κατανάλωση Μειονεκτήματα Περιορισμένο Βάθος Λογικής CMOS Λογικές ομές 10 5
Λογική CMOS Πυλών Διέλευσης Β Β x = Α + Β Β CMOS Λογικές ομές 11 CVS Λογική με Πύλες Διέλευσης XOR XNOR Β Α CMOS Λογικές ομές 12 6
PL Λογική ouble Pass Transistor Logic NN N Β Α CMOS Λογικές ομές 13 Clocked CMOS (C 2 MOS) Λογική Ενεργοποίηση Tri State t CMOS Λογικές ομές 14 7
Δυναμική CMOS Λογική (I) Α Β C (( C) ) CMOS Λογικές ομές 15 Δυναμική CMOS Λογική (IΙ) Προφόρτιση Υπολογισμός = 0 = 1 = 1 = 1 Το δεν άγει! CMOS Λογικές ομές 16 8
Δυναμική CMOS Λογική (IΙΙ) Προφόρτιση Υπολογισμός = 0 = 1 = 1 = 0 Το άγει! CMOS Λογικές ομές 17 Δυναμική CMOS Λογική (IΙI) I) προφόρτιση υπολογισμός 1 2 Συνθήκες Ανταγωνισμού IN1 1 2 Πιθανά εσφαλμένη λογική κατάσταση t CMOS Λογικές ομές 18 9
Δυναμική CMOS Λογική 2 Φάσεων (Ι) Φ1 Φ2 Φ1 προφόρτιση μνήμη Φ2 Φ2 υπολογισμός t CMOS Λογικές ομές 19 Δυναμική CMOS Λογική 2 Φάσεων (ΙΙ) Φ1 Φ2 Έξοδος προς Φ 2 1 βαθμίδες Φ2 Φ1 Έξοδος προς Φ 1 2 βαθμίδες από Φ 2 1 βαθμίδες Φ2 από Φ 1 2 βαθμίδες Φ1 CMOS Λογικές ομές 20 10
Δυναμική CMOS Λογική 4 Φάσεων Φ12 Φ23 Φ1 Φ23 Φ2 Φ41 Φ12 Φ12 Φ23 Φ34 Φ3 Φ4 Φ12 Φ34 Φ12 Φ41 Φ34 Φ41 Φ23 Φ23 Φ41 Φ34 Φ34 Φ41 CMOS Λογικές ομές 21 omino CMOS Λογική (I) Α Β C Προαιρετικό τρανζίστορ. Χρήση για χαμηλή κατανάλωση. Είναι υποχρεωτική η παρουσία του μόνο στο πρώτο λογικό επίπεδο το οποίο οδηγείται από τις κύριες εισόδους! ( C) CMOS Λογικές ομές 22 11
omino CMOS Λογική (II) προφόρτιση υπολογισμός Α Α t CMOS Λογικές ομές 23 omino CMOS Λογική (III) υπολογισμός προφόρτιση 1 2 IN 1 2 t CMOS Λογικές ομές 24 12
Ιδιότητες omino Λογικής Μικρός βαθμός εισόδου (fan in): παρουσία μόνο του δικτυώματος μειωμένος λογικός φόρτος ταχύτητα Μη ύπαρξη στιγμιαίων μεταβάσεων στις εξόδους: οι μεταβάσεις στη φάση υπολογισμού είναι μόνο 0 1 Τα λογικά επίπεδα τάσεων στις εξόδους δεν εξαρτώνται από τα σχετικά μεγέθη των τρανζίστορ Μη πλήρης λογική οικογένεια: αδυναμία παροχής συμπληρωματικών εκφράσεων Υψηλές ταχύτητες ( ) αλλά και υψηλή δραστηριότητα εναλλαγών των τιμών στις εξόδους υψηλή δυναμική κατανάλωση CMOS Λογικές ομές 25 omino και Διαμοιρασμός Φορτίου ==C=0 υπολογισμός προφόρτιση VV 0 1 C Α Β C 0 0 0 C 2 C 1 Θόρυβος t CMOS Λογικές ομές 26 13
Διαμοιρασμός Φορτίου V b + C b S C s + S V s Έστω ότι όταν S = 0 ισχύει: Q b = C b. V b και Q s = C s.v s Q ολικό = Q b + Q s = C b. V b +C s.v s Όταν γίνει S= 1 τότε οι τάσεις στους δύο πυκνωτές εξισώνονται στην τιμή V R. Από την αρχή διατήρησης φορτίου ισχύει: Q VR C T T Q C ολικό ολικό CbVb CsVs C C b s όπου: C ολικό = C b + C s CMOS Λογικές ομές 27 Βελτιώσεις στη omino Λογική (Ι) Χρήση Κατακρατητών (Keepers) Weak pmos (L >>>) Weak pmos CMOS Λογικές ομές 28 14
Βελτιώσεις στη omino Λογική (ΙΙ) Χρήση Κατακρατητών (Keepers) Weak pmos παραλλαγή! CMOS Λογικές ομές 29 Πολλαπλής Προφόρτισης omino Λογική C Α Β C C 1 C 2 CMOS Λογικές ομές 30 15
Πολλαπλών Εξόδων omino Λογική υπολογισμός προφόρτιση ( C) Α Β C G G C G =0 =1 ή =1 ή C=1 t CMOS Λογικές ομές 31 NOR ή NP Λογική (I) No Race Logic (NOR) Έξοδοι από pmos ή pomino N1 pmos N2 N3 Έξοδοι προς pmos Έξοδοι προς Έξοδοι προς Έξοδοι προς pmos CMOS Λογικές ομές 32 16
NOR ή NP Λογική (II) N1 N2 υπολογισμός προφόρτιση Χαμηλός βαθμός οδήγησης εξόδου (fan out) Μικρότερος αριθμός από επίπεδα πυλών Πλήρης λογική οικογένεια Πολυπλοκότητα κατανομής των σημάτων ρολογιού Χρήση pmos τρανζίστορ στα δικτυώματα υπολογισμού των συναρτήσεων CMOS Λογικές ομές 33 Διαφορική omino Λογική (Ι) ifferential omino () Logic (Ι) Κατακρατητής pmos προφόρτισης Α Β C C υπολογισμού Διαφορικό CMOS Λογικές ομές 34 17
Διαφορική omino Λογική (ΙΙ) ifferential omino () Logic (ΙΙ) Κατακρατητής pmos προφόρτισης Α Β C C παραλλαγή! υπολογισμού Διαφορικό CMOS Λογικές ομές 35 18