Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Ανοχή στον Θόρυβο

Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Ανοχή στον Θόρυβο Γιάννης Λιαπέρδος TEI Πελοποννήσου Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

Εισαγωγή Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 2 Ταχύτητα 3 Κατανάλωση ισχύος 4 Ανοχή στον θόρυβο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 2 / 24

Εισαγωγή Ιδανική συμπεριφορά αναστροφέα IN OUT (i) (ii) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 3 / 24

Εισαγωγή Χαρακτηριστική μεταφοράς ιδανικού αναστροφέα V out (Ā) V DD 0 V DD /2 V DD V in (A) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 4 / 24

Εισαγωγή Έξοδος ιδανικού αναστροφέα με ενθόρυβη είσοδο OUT V out V DD t 0 V DD V in IN t Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 5 / 24

Εισαγωγή Έξοδος ιδανικού αναστροφέα με μη ιδανική κυματομορφή εισόδου OUT V out V DD t 0 V DD V in IN t Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 6 / 24

Ταχύτητα Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 2 Ταχύτητα 3 Κατανάλωση ισχύος 4 Ανοχή στον θόρυβο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 7 / 24

Ταχύτητα Χρόνοι μετάβασης και καθυστέρησης Η 90% 90% L 10% 10% t (i) t HL t LH Η L Η t PHL t PLH t (ii) L t Η L Η L 50% 50% t (iii) 50% 50% t t PHL t PLH Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 8 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Χρόνος καθόδου (t HL = t f ) [1/4] Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 9 / 24

Ταχύτητα αναστροφέα Ταχύτητα Χρόνος καθόδου (t HL = t f ) [2/4] Για τη μετάβαση από V o = 09V DD (t 1 ) έως V o = V DD V Tn (t 2 ) ισχύει: Ολοκληρώνοντας από t 1 σε t 2 : C L dv o dt + β n 2 (V DD V Tn ) 2 = 0 dv o = β n 2C L (V DD V Tn ) 2 dt t f1 = t 2 t 1 = 2C L(V Tn 01V DD ) β n (V DD V Tn ) 2 Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 10 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Χρόνος καθόδου (t HL = t f ) [3/4] Για τη μετάβαση από V o = V DD V Tn (t 1 ) έως V o = 01V DD (t 2 ) ισχύει: [ ] dv o C L dt + β n (V DD V Tn )V o V2 o = 0 2 Ολοκληρώνοντας από t 1 σε t 2 : dv o = β [ ] n V 2 o C L 2 (V DD V Tn ) dt ( ) C L t f2 = t 2 t 1 = β n (V DD V Tn ) ln 19VDD 20V Tn V DD Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 11 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Χρόνος καθόδου (t HL = t f ) [4/4] Για τον συνολικό χρόνο καθόδου ισχύει: = 2C L(V Tn 01V DD ) β n (V DD V Tn ) 2 + = 2C L β n (V DD V Tn ) t f = t f1 + t f2 = ( ) C L β n (V DD V Tn ) ln 19VDD 20V Tn = V DD [ VTn 01V DD + 1 ( )] V DD V Tn 2 ln 19VDD 20V Tn V DD Θεωρώντας ότι V Tn 02V DD προκύπτει η ακόλουθη προσεγγιστική έκφραση: t f = 4C L β n V DD Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 12 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Χρόνος ανόδου (t LH = t r ) Λόγω της συμμετρίας του κυκλώματος του αναστροφέα, για τον συνολικό χρόνο ανόδου ισχύει: [ 2C L VTp 01V DD t r = + 1 ( )] β p (V DD V Tp ) V DD V Tp 2 ln 19VDD 20 V Tp V DD Θεωρώντας ότι V Tp 02V DD προκύπτει η ακόλουθη προσεγγιστική έκφραση: t r = 4C L β p V DD Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 13 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Καθυστέρηση διάδοσης (τ d ) [1/2] Κατά προσέγγιση, ο χρόνος καθυστέρησης ο οποίος οφείλεται στον χρόνο ανόδου/καθόδου είναι ίσος με το ήμισυ του χρόνου αυτού: t dr = t r 2 t df = t f 2 Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 14 / 24

Ταχύτητα Ταχύτητα αναστροφέα Καθυστέρηση διάδοσης (τ d ) [2/2] Επομένως, η μέση καθυστέρηση διάδοσης είναι: τ d = t dr + t df 2 = t r + t f 4 Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 15 / 24

Κατανάλωση ισχύος Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 2 Ταχύτητα 3 Κατανάλωση ισχύος 4 Ανοχή στον θόρυβο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 16 / 24

Κατανάλωση ισχύος Στατική ισχύς Στατική ισχύς αναστροφέα Η στατική ισχύς αφορά τις περιπτώσεις όπου η χωρητικότητα φόρτου του αναστροφέα είναι πλήρως φορτισμένη ή πλήρως εκφορτισμένη Το μόνο ρεύμα που εμφανίζεται στο κύκλωμα είναι το μικρό ρεύμα διαρροής (της τάξης του pa για τάσεις τροφοδοσίας 5V) των ανάστροφα πολωμένων επαφών που απαρτίζουν τα MOSFETs Εάν i η τιμή του ρεύματος διαρροής ανά MOSFET και V DD η τάση τροφοδοσίας, η στατική ισχύς ενός αναστροφέα θα δίνεται από τη σχέση: P s = 2 i V DD Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 17 / 24

Κατανάλωση ισχύος Στατική ισχύς Στατική ισχύς κυκλώματος CMOS Στη γενική περίπτωση κυκλώματος CMOS με N τρανζίστορ, η προηγούμενη σχέση γενικεύεται ως εξής: P s = N i V DD Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 18 / 24

Κατανάλωση ισχύος Δυναμική ισχύς Δυναμική ισχύς αναστροφέα (1/3) Θα υπολογίσουμε τη δυναμική ισχύ αναστροφέα CMOS όταν στην είσοδό του διοχετεύουμε ορθογώνιους παλμούς (αποφεύγοντας την περίπτωση να άγουν ταυτόχρονα και τα δύο τρανζίστορ) Θεωρούμε ότι η συχνότητα f p του σήματος εισόδου αντιστοιχεί σε περίοδο t p αρκετά μεγάλη, ώστε να έχουμε πλήρη φόρτιση και εκφόρτιση της χωρητικότητας φόρτου C L Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 19 / 24

Κατανάλωση ισχύος Δυναμική ισχύς Δυναμική ισχύς αναστροφέα (2/3) Κάτω από τις προηγούμενες συνθήκες, κατά τη μισή περίοδο t p άγει το nmos (εκφόρτιση), ενώ για το υπόλοιπο μισό της περιόδου έχουμε φόρτιση μέσω του pmos Επομένως, μπορούμε να γράψουμε για τη δυναμική ισχύ P d : P d = 1 tp/2 i n (t)v o dt + 1 tp t p t p 0 t p /2 i p (t)(v DD V o )dt όπου V o η τάση εξόδου και i p, i n τα ρεύματα που διαρρέουν τα nmos και pmos, αντίστοιχα Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 20 / 24

Κατανάλωση ισχύος Δυναμική ισχύς Δυναμική ισχύς αναστροφέα (3/3) Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση i(t) = C L dv o dt η έκφραση για τη δυναμική ισχύ γράφεται: P d = C L t p VDD 0 V o dv o + C L t p 0 V DD (V DD V o )d(v DD V o ) ή P d = C L V 2 DD t p = C L V 2 DD f p Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 21 / 24

Ανοχή στον θόρυβο Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 2 Ταχύτητα 3 Κατανάλωση ισχύος 4 Ανοχή στον θόρυβο Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 22 / 24

Ανοχή στον θόρυβο Περιθώρια θορύβου (1/2) Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 23 / 24

Ανοχή στον θόρυβο Περιθώρια θορύβου (2/2) Τα περιθώρια θορύβου επηρεάζονται από τις παραμέτρους των MOSFETs Για ίσα περιθώρια θορύβου επιλέγουμε β n = β p Γιάννης Λιαπέρδος (TEI-Πελ) 6: Ταχύτητα Κατανάλωση Θόρυβος 24 / 24