ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Εργαστήριο Σχεδίασης Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων «Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων σε FPGA» Εαρινό εξάμηνο 2016-2017 Διάλεξη 2 η : Βασικά στοιχεία VLSI Δρ. Παρασκευάς Κίτσος Επίκουρος Καθηγητής diceslab.cied.teiwest.gr E-mail: pkitsos@teimes.gr 1
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ CMOS Η CMOS λογική σχεδίασης έχει επικρατήσει γιατί παρουσιάζει υψηλή πυκνότητα ολοκλήρωσης και χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Η λειτουργία ενός CMOS κυκλώματος επηρεάζεται ελάχιστα από θόρυβο. Παρουσιάζει ελάχιστη στατική κατανάλωση ισχύος. Οι χρόνοι ανόδου/καθόδου είναι της ίδιας τάξης. Τα βασικά κύτταρα απαιτούν μικρή επιφάνεια υλοποίησης. Άρα η πυκνότητα ολοκλήρωσης είναι πολύ μεγάλη. Μετάδοση σωστή και των δύο λογικών σταθμών (0, 1) από τις πύλες μετάδοσης (πολυπλέκτες, μανδαλωτές, καταχωρητές) 2
ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Είναι ένα στοιχείο 4 ακροδεκτών Η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη πύλης (gate) καθορίζει εάν και πόσο ρεύμα θα ρέει μεταξύ των ακροδεκτών πηγής (source) και υποδοχής (drain). To υπόστρωμα ή σώμα (substrate or body) αναπαριστά τον τέταρτο ακροδέκτη ο οποίος εξυπηρετεί μονάχα στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών και των παραμέτρων του στοιχείου Διακόπτης! V GS V T Τρανζίστορ MOS V GS S R on D 3
ΕΙΔΗ MOS ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Σύμβολα Πύλη Μετάδοσης 4
Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ CMOS (1/3) V DD Είσοδος PMOS Έξοδος A 0 1 Y NMOS A Y GRD A: Είσοδος Υ: Έξοδος 5
Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ CMOS (2/3) V DD A Y 0 1 0 A=1 Y=0 Ι OFF ON GND 6
Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ CMOS (2/3) V DD A Y 0 1 1 0 Ι ON A=0 Y=1 OFF GND 7
ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΛΟΓΙΚΗ Συνδυάζοντας σε σειρά και παράλληλα n και p διακόπτες προκύπτουν οι γνωστές συνδυαστικές πύλες A B A B X Y Y = X αν A AND B X Y Y = X αν A AND B = A + B A A X B Y Y = X αν A OR B X B Y Y = X αν A OR B = AB NMOS PMOS 8
ΣΤΑΤΙΚΗ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗ CMOS In1 In2 V DD PUN Μόνο PMOS Παράδειγμα: Λογική πύλη NAND InN In1 In2 InN PDN F(In1,In2, InN) Μόνο NMOS Συνδυασμός δύο λογικών δικτυωμάτων Του επάνω οδήγησης (pull-up network, PUN) Του κάτω οδήγησης (pull-down network, PDN) 9
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗΣ CMOS Τα δύο δικτυώματα είναι δυικά. Αυτό σημαίνει ότι η παράλληλη σύνδεση από τρανζίστορ στο δικτύωμα επάνω οδήγησης αντιστοιχεί σε σειριακή σύνδεση από αντίστοιχα στοιχεία στο δικτύωμα κάτω οδήγησης και αντιστρόφως. Η συμπληρωματική λογική είναι αντιστρεφούσα, δηλαδή υλοποιεί συναρτήσεις όπως η NAND, NOR, XNOR Για την υλοποίηση μιας λογικής πύλης Ν εισόδων απαιτούνται 2Ν τρανζίστορ 10
ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΥΛΩΝ CMOS OUT = D + A (B + C) V DD V DD D B A C F SN1 D B F A C SN4 SN2 SN3 A D C B F (α) δικτύωμα κάτω οδήγησης (β) ιεραρχική παραγωγή του δικτυώματος επάνω οδήγησης με καθορισμό υποδικτυωμάτων D B A C (γ) πλήρης πύλη 11
ΘΕΩΡΙΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ CMOS Ένα τρανζίστορ MOS ορίζεται ως στοιχείο φορέων πλειονότητας (majority -carrier device) του οποίου το ρεύμα στο κανάλι αγωγής (πηγή - υποδοχή) διαμορφώνεται από την τάση πύλης. Η τάση κατωφλίου (Vt) ορίζεται ως η τάση πύλης στην οποία αρχίζει να άγει το στοιχείο MOS. Για τάσεις μικρότερες από Vt το κανάλι βρίσκεται σε κατάσταση αποκοπής (πολύ μικρό ρεύμα από πηγή σε υποδοχή). 12
ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΣΕ 3 ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ n-τύπου: 13
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΑΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ V(y) V OH f V(y)=V(x) V M Κατώφλι μετάβασης V OL V OL V OH V(x) Ονομαστικά επίπεδα τάσης 14
ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΣΕ ΤΑΣΕΙΣ Οι περιοχές τάσης που αντιστοιχούν στα λογικά επίπεδα high και low καθορίζονται από τις τιμές V IH και V IL στην χαρακτηριστική VTC όπου το κέρδος (κλίση) = -1 1 V OH V out V OH Κλίση = -1 V IH Απροσδιόριστη Περιοχή V IL Κλίση = -1 0 V OL V OL V IL V IH V in 15
ΦΟΡΤΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΦΟΡΤΟΣ ΕΞΟΔΟΥ Φόρτος εισόδου (Fan in): ο αριθμός των εισόδων μίας πύλης Πύλες με μεγάλο fan-in είναι αργές M Φόρτος εισόδου M Φόρτος εξόδου (Fan out): αριθμός των πυλών που φορτώνουν την έξοδο της οδηγούσας πύλης Πύλες με μεγάλο fan-out είναι αργές N Φόρτος εξόδου N 16
ΕΠΙΔΟΣΕΙΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Διάρκεια περιόδου ρολογιού (Χρόνος κύκλου ρολογιού) Ρυθμό ρολογιού (Συχνότητα ρολογιού) Η ελάχιστη τιμή της περιόδου ρολογιού για μια δεδομένη τεχνολογία και σχεδιασμό επηρεάζονται κυρίως από παράγοντες όπως ο χρόνος που χρειάζονται τα σήματα να διαδοθούν μέσω της λογικής και ο χρόνος που χρειάζεται για την εισαγωγή εξαγωγή δεδομένων από τους καταχωρητές 17
ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ Κατανάλωση Ισχύος: καθορίζει πόση ενέργεια καταναλώνεται σε κάθε λειτουργία και πόση θερμότητα καταναλώνει το κύκλωμα Καθορίζει το μέγεθος των γραμμών τροφοδοσίας Καθορίζει την ζωή της μπαταρίας Καθορίζει τις απαιτήσεις συσκευασίας και ψύξης Έχει δύο συνιστώσες: στατική και δυναμική 18
ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ Οι απαιτήσεις της συσκευασίας ενός ολοκληρωμένου είναι: Ηλεκτρικές: Χαμηλά παρασιτικά φαινόμενα Μηχανικές: Αξιοπιστία και στιβαρότητα Θερμικές: Αποτελεσματική απομάκρυνση θερμότητας Οικονομικοί: Φθηνό 19
ΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΑ 20
ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΣΥΣΚΕΥΑΣΙΕΣ 21
Απορίες??? 22