Module_inv_MOS.pdf

7/23/2019 Module_inv_MOS.pdf

1/34

Elecronic Digitala

Comutator electronic cu TECMOS

* exemplu: structura fizic a unui TECMOS cu canal indus:

- funcionare, caracteristici, parametri:

- ecuaiile lui Sah: 0 Di dac: pGS V v (tranzistor blocat)

2

2

DS DS pGS D

vvV vk i dac: Dsat DS pGS V vV v ; ;

(tranzistor n regiunea liniar);

22 pGS D

V vk

i dac: Dsat DS pGS V vV v ; ;

(tranzistor n saturaie); cu: pGS Dsat V vV - parametri:

- tensiunea de prag:

- dependent de tensiunea surs substrat; - dependent de temperatur (mai puin ca la TBIP);


2/34

Elecronic Digitala

- se poate controla foarte bine n limite largi prin concentraia deimpuriti din izolator;

- valori tipice: V 35,1 ;- importan: micorarea tensiunii de prag micorarea tensiunii de

alimentare i a puterii disipate; - factorul de conducie:

L

Z C k ox

- n mobilitatea purttorilor de sarcin din canal (electroni);

- oxC capacitatea sp ecific a izolatorului,2/ mm pF ;

- Z L , - discuie: limitri sus i jos;

- L Z geometria tranzistorului: poate fi >1 sau


3/34

Elecronic Digitala

* schema:

* caracteristica de transfer:- pai V v , DDoH o V V v ;

- pai V v ; T n saturaie: Da R ii d :

2

2

paia

d o DD

V vk R

vV

2

2

paid a DDo

V v Rk V v ;

- pentru: 1ii V v , TMOS trece n zona liniar: 11 o paio V V V v ;

2112 pai

d a DD pai V V

Rk V V V se deduce 1iV i apoi i 1oV .

- pai V v , T n regiunea l iniar: Da R ii d :

2

2o

o paiad

o DD vvV vk R

vV

d a

DD

d a

pai

d a

paio Rk V

Rk V v

Rk V vv

2222

.

* nivelele logice:


4/34

Elecronic Digitala

- DDoH V V ;

d a

DD

d a pa DD

d a pa DDoH ooL Rk

V Rk V V Rk V V V vV

222)(

2

- prin dezvoltare n serie:

pa DDd a DD

oL V V Rk V

V

- este necesar ca: d R ct mai mare i ak ct mai mare;* marginile de zgomot:

oLi V V MZL

)1('

; )1(''

ioH V V MZH

d a pai Rk

V V 1

)1(' ;d a

DD

d a pai Rk

V Rk

V V 382

)1('' ;

- tensiunea de transfer logic rezult din relaia: prL prLo V V v )( ;- caracteristici de alimentare:

d

DD

d

oL DD DDL

R

V

R

V V I ; ;0 DDH I

d

DDd

R

V P

2

2

; comentarii.

* regimul tranzitoriu:

- P1-P2: timp de comutare neglijabil;- P2-P3: T saturat:


5/34

Elecronic Digitala

t iC

V t v D s

DDo1

)( ;

2

2

pa DDa D

V V k i ;

- se termin faza cnd TMOS intr n zona liniar: pa DD Dsat V V V V 1 ; rezult:

pa DD pa

a pa DD

pa

pa DDa

s

pa DDa

pa s

V V

V

V V

V

V V k C

V V k

V C

t

2

2

21

- constanta de timp: pa DDa s

a V V k C 2

- P3- P4: TMOS n zona liniar:

2

2o

o pa DDa Dv

vV V k i se neglijea zd R

i :

2

2o

o pa DDao

sv

vV V k dt

dvC

222 oo pa DDo

s

a

vvV V dv

dt C k

se integreaz:


6/34

Elecronic Digitala

ov

V V o pa DDo pa DD s

a dvvV V vV V

t C k o

pa DD 211

)21

2

o pa DDo

pa DD s

a

vV V v

V V t

C k

2ln

)21

2

o

o pa DDa

v

vV V t

2ln

2

;

- se deduce simplu:

t thV V

eV V t v pa DDt pa DDo 1

1

12)( 2

- timpul de comutare 2t se deduce:

pa DDo V V t v 1,0)( 2 aat

45,119ln

22 .

- comparaie pentru diferite posibiliti de descrcare a unei capaciti; * comutarea invers: - ncrcare prin rezisten fix (de valoare mare) la sursa de tensiune:- fenomenele fizice: compararea curenilor de descrcare a capacitii cu

curentul de ncrcare a capacitii: descinc t t .

sd C Rt

DDoL DDo eV V V t v )(

d s f RC t 3,2 - foarte mare

Inversorul NM OS cu sarcin TMOS n zona liniar


7/34

Elecronic Digitala

- apar astfel de scheme n structuri nMOS dinamice;- se folosesc dou surse de tensiune de alimentare; - tranzistoarele sunt ambele cu canal indus;- se obine o rezisten dinamic mai mic pentru ncrcarea capacitii desarcin; - tranzistorul de sarcin ocup o suprafa mult mai mic dect rezistena dedren; - nivelul logic UNU este fixat de tensiunea de alimentare DDV ;- nivelul logic ZERO depinde de geometriile celor dou tranzistoare; - parametrii statici sunt mai buni ca la circuitul precedent;- s-a folosit ca circuit logic n cazul tranzistoarelor MOS cu canal P la caretensiunea de prag nu putea fi bine controlat, tensiunile de alimentare fiindrelativ mari pentru a putea acoperi dispersiile acesteia;- timpii de comutare sunt comparabili cu cei ai schemei precedente, cu avantajulc, la integrare, suprafaa ocupat de acest circuit este mult mai mic dect acelui precedent i, deci, i capacitile parazite sunt mult mai mici.

Inv ersorul NMOS cu sarcin TMOS saturat

* o schem mai mult folosit, n special pentru circuite de memorare static;


8/34

Elecronic Digitala

- elimin sursa suplimentar; - tranzistor amplificator; tranzistor de sarcin; * caracteristica de transfer:

- p pai V V v - Ta blocat, Ts n zona liniar:

- 02

1 2oH p DD Ds V V V i

- p DD ps DDoH V V V V V - p pai V V v , Ta deschis la saturaie; Ts n saturaie:

- egalitatea curenilor: 22

22

po DD s

pia

V vV k

V vk

cu notaia: s

a

k

k a 2 ; rezult:

pi p DDo V vaV V v - caracteristic liniar, cu panta ce reprezint i amplificarea de tensiune pe careo realizeaz acest montaj;


9/34

Elecronic Digitala

- p pai V V v , Ta n zona liniar, Ts n saturaie:

22

22 o

o piao p DD s vvV vk vV V

k

- se amplific cu sk

2 i se ordoneaz dup puterile luiov ;

02)1( 2222 p DD p DD pioo V V V V aV vvav - de aici se deduce simplu )( io vv ;- trecerea ntre cele dou zone:

111 o pi pai V V V V V ; se obine:

a

aV V

a

V V V V p DD p DD pi 111

;

* tensiunea corespunztoare nivelului logic ZERO: - pentru p DDoH i V V V v , rezult aproximativ:

p DD

p DDoL

V V a

V V V

22 2

2

- comentarii: a , p DD V V ;

- semnificaia luia s

sa

s

a

L Z

L Z

k

k a ;

- margini de zgomot statice:

pi V V )1('

;

132

)1( 2'' a

a

V V V V

p DD pi ;

- tensiunea de prag logic:

a

aV V V V p p DD prL 1

;

* caracteristici de alimentare:

222 22

;0

p DDa p DD s DDL

DDH

V V a

k V V k I

I


10/34

Elecronic Digitala

224 p DD DDa

d V V V ak

P

* regim tranzitoriu

- comutarea direct: dac se neglijeaz curentul tranzistorului de sarcin,descrcarea capacitii de sarcin se face prin tranzistorul amplificator, ca lainversorul cu sarcin rezistiv:

- P2- P3, zona de saturaie:


11/34

Elecronic Digitala

t V V C k

V V t iC

vt v p DD s

a p DD Da

soo

222

1)0()( ;

poH pGSaa Dsat P P o V V V V V t v )( 32 p DD V V 2 ;

p DD p

a p DD

p

p DDa

s P P V V

V

V V

V

V V k C

t 222

232 ;

- P3- P4, zona liniar:

a p DDo

t thV V t v

12)( ;

a P P t 45,143

- comutarea invers: tranzistorul amplificator se blocheaz i capacitateade sarcin se ncarc prin tranzistorul de sarcin ce funcioneaz nzona de saturaie:

22 o p DD so

s vV V k

dt dv

C

o

oL

v

V o p DD

o

s

svV V

dvk C t 2

2=

ov

o p DD

o

s

s

vV V

dvk C

t 0

2

2 sau:

p DD s s

V V k C

t 2

o p DD

o s

o p DD

o

vV V v

vV V v

;


12/34

Elecronic Digitala

p DD s s

s V V k C 2

s p DDo t t

V V t v )( ; p DD P P o V V t v

9,0)( 14

s P P t 914 ;2

aa s ; 4214 P P P P t t .

- comentarii:- nMOS nlocuit cu nMOS cu canal iniial; - tranzistoare complementare CMOS;- scheme dinamice.

* structuri logice elementare cu inversoare nMOS:

SAU-NU I-NU I-SAU-NU- circuite de tip buffer:

inversor neinversor

- poarta de transmisie:


13/34

Elecronic Digitala

- circuit basculant bistabil:

Structuri numerice cu inversoare CMOS

schema de principiu inversor CMOS standard


14/34

Elecronic Digitala

- parametrii tranzistoarelor:

- tensiunile de prag: V V V p pn

p 5,1 ;- factorul de conducie intrinsec:

-2

/16 V A pentru canal N i2

/6 V A pentru canal P;- factorii geometrici alei n aa fel nct factorii de conducie s fie ct

mai apropiai:

pn k k p

p

n

n

L

Z

L Z

;

nivelele logice ale inversorului CMOS:

- cele dou tranzistoare funcioneaz n contratimp; - nivelele logice nu depind de raportul din tre cei doi factori de conducie;

- din grafice: 0; oL DDoH V V V - analitic:

02

2 oH DDoH DD

p p DD p

p D

V V V V V V k i ;

deci: ;0oH V


15/34

Elecronic Digitala

2

2

oLoL

n p DDn

n D

V V V V k i ; deci: .0oLV

Concluzie:- nivele logice bine precizate, independente d e condiiile reale defuncionare (inversor ideal); - utilizarea integral a tensiunii de alimentare (inversor ideal). * influena rezistenei de sarcin: - pentru s R cuplat la mas, oH V scade (la valori peste )20 k ;- pentru s R cuplat la DDV , oLV crete (la valori peste )20 k ;

caracteristica de transfer:

* 5 zone ale caracteristicii:

* zona I , pentrun

pi V V 0 , Tn blocat, Tp n zona liniar:

02

2 oH DDoH DD

p poH DD p

V V V V V V V k ;

oH DDo V V v ;

* zona II :n

pi V v , Tn saturat; Tp liniar;

22

22 p

pin

o DDo DD

p pi DD p

V vk

vV vV V vV k

;


16/34

Elecronic Digitala

- se noteaz:2

ak k

p

n i rezult:

222 n

pi

p

pi DD

p

pio V vaV vV V vv

;* zona III : ambele tranzistoare n saturaie, prLi

n p V vV :

- panta infinit; rezult tensiunea de prag logic, prLV ;- panta real;

22

2

prL p

p DD p

n p prL

n

V V V k

V V k ;

aaV V V V

n p p p DD prL 1

;

- dac: p p

pn

p V V V i :1 ak k k pn

2 DD

prLV

V ; avantaj pentru CMOS (inversor ideal);

- marginile de zgomot ideale sunt egale cu

2

DDV (maxime) (inversor ideal);

- tensiunea 1oV , la care se face treceea Tp n saturaie:

p DD

n p

p p DD

o V V a

V V aV V 5,0

11 sau:

p p prL DD

p p

pGS o DD

p DS V V V V vV V V 1 , adic:

p p prLo V V V 1 .

* zona IV , pentru: p p DDi prL V V vV : Tn n zona liniar, Tpsaturat:

22

22

oo

n pin

p pi DD

pv

vV vk V vV

k de unde:

222 1 p

pi DDn

pin

pio V vV a

V vV vv i:

pn prLo V V V 2 .


17/34

Elecronic Digitala

* zona V , pentru: DDi p

p DD V vV V

02

2

oo

n pin

vvV vk , de unde: 0oLo V v .

marginile de zgomot statice:

- definite n raport cu tensiunea de prag logic:

a

aV V aV V V MZH

a

aV V V V V MZL

n

p

p

p DD prL DD

n p

p p DD

oL prL

1

;1

- pentru un circuit simetric:

DDV MZH MZL 5,0 (egale, maxime); (se apropie de inversorulideal);- conform definiiei:

- se determin )1('iV i )1(''

iV pentru tranzistoare cu parametrisimetrici:

1

)1()1(2

)1(2)1(21

2'2'

''

pi pi DD

pi pi DD

i

o

V V V V V

V V V V V dvdv

- se noteaz: 0)1(

)1('

'

xV V

V V V

pi

pi DD

35

;10523

)1(41221

1

212

222

x x x x

x x x

x

x

8

23)1(

35

)1(

)1( ''

' p DD

i pi

pi DD V V V V V

V V V


18/34

Elecronic Digitala

1

)1()1(2

)1(2)1(21

2''2''

''''

pi DD pi

pi DD pi

i

o

V V V V V

V V V V V

dvdv

- se noteaz: 0)1(

)1("

" y

V V V V V

pi DD

pi

- se obine ecuaia:1

12

2 y

y cu soluia:

3

5 y ;

8

25)1(

35

)1(

)1( ""

" p DD

i

pi DD

pi V V V V V V

V V

- se calculeaz marginile de zgomot:

8

23)1(' p DDoLi

V V V V MZL

MZLV V V V

V V V MZH p DD p DD DDioH 8

23

8

25)1(''

- egale i mari; Concluzie: marginile de zgomot statice sunt garantate la valori de:

.45,03,0 DDV * importana tensiunii de alimentare asupra caracteristicii de transfer:

p DD V V 2 p DD V V 2 p DD V V 2 - nu

caracteristici de intrare

* circuit de protecie la intrare: - poarta este izolat i poate acumula sarcini electrice;- deoarece suprafaa este foarte mic, se poate strpunge poarta chiar la

sarcini mici (cmpul electric este foarte mare);- diodele D1 i D2 limiteaz tensiunea de la intrare; - rezistena distribuit limiteaz curentul prin D1 i D2 dac se deschid; - apar diode parazite asociate rezistenei. - diod Zener de protecie pentru supracreteri ale tensiunii de alimentare.


19/34

Elecronic Digitala

- se obin: - int Z foarte mare, M 100 ;

- cureni de intrare foarte mici (inversor ideal) dependeni de DDV i de temperatur C C oo 10020 :

;157,0036,0

;06,103,0

V vlanAnA

vlanAnA

i

i

caracteristici de ieire

- rezistenele de ieire date de rezistenele celor dou TMOS n conducie valori de ordinul sutelor de ;

- numrul de circuite identice ce poate fi comandat este, practic, nelimitat(inversor ideal);

- limitarea fan- out este dat numai de regimul tranzitoriu; - pentru comanda unor circuite discrete se admit rezistene echivalente

mai mari de k 50 pentru a nu se micora marginile de zgomot;

caracteristici de alimentare

* tensiunea de alimentare: V V V DD 153 ;

* curenii de alimentare: .0;0;0 d DDH DDL P I I (inversor ideal);- totui se disip putere datorit curenilor reziduali de ordinul W .* caracteristica de alimentare )( i DD vi :


20/34

Elecronic Digitala

- ;00 DDn

pi iV v

- 22n

pin

DD prLin

p V vk iV vV ;

- 22

p pi DD

p DD

p p DDi prL V vV

k iV V vV ;

- 0 DD DDi p

p DD iV vV V ;

-

2

max 12)(

n

p

n p

p p DDn

prL DD DD V a

aV V V k

V i I

-

222

max212

pn

n p

p p DD

pn

n p

p p DDn

DDk k

V V V k k

a

V V V k I

- pentru parametri simetrici:

2max 28 p DD DD

V V k

I ;

- exemplu numeric:

A I V Ak V V V V DD p DD 100/16;5,1;10 max2

.

- importana lui max DD I pentru creterea puterii disipate cu frecvena; - influena tensiunii de alimentare; pentru p DD V V 2 , 0max DD I .

regimul tranzitoriu

- sarcin capacitiv, sC ;- fenomene fizice la ambele comut:


21/34

Elecronic Digitala

- forma de und complet:

a) comutarea direct - P1-P2: se deschide Tn, se nchide Tp; 0

21 P P t ;

- P2-P3: Tn de schis n saturaie (se descarc sC ), Tp blocat:

t V V k C

V t v p DD s

DDo2

21

)( ;

- condiia de trecere a lui Tn n regiunea liniar ( pGS DS V V V ):


22/34

Elecronic Digitala

p DD P P o V V t v )( 32 ; rezult:

p DD p

p DD

p s P P V V

V

V V

V

k C

t 22

32 cu: p DD

s

V V k C 2

.

- P3- P4: Tn deschis n regiunea liniar, Tp blocat:

2

2

oo p DD

o s

vvV V k

dt dv

C cu: p DDo V V v )0( ;

ov

V V o p DDo p DD

st

o p DDo

o s

dvvV V vV V k

C dt

vV V vdv

k C

dt

o

p DD

12

12112

;2

2

0

2

o p DD

vV V o p DDo vV V vt ln(2ln2

1 sau:

o

o p DDv

V V o

p DDo

v

vV V

v

V V vt

o

p DD

)(2ln

2

)(2ln

2

- se poate explicita tensiunea funcie de timp:

t

o

o p DD ev

vV V 22;

1

211

1

222

t p DDt p DDo

e

V V

e

V V v sau:

t thV V

ee

eeV V v p DDt t

t t

p DDo 11 .

- timpul43 P P t se definete ca fiind intervalul de timp dup care s-a parcurs

p DD V V V 9,09,0 , adic pentru )(1,0)( 43 p DD P P o V V t v :

45,119ln21,01,02

ln243 p DD p DD p DD P P V V

V V V V t .


23/34

Elecronic Digitala

- durata frontului desc resctor:

45,14332

p DD

p P P P P fHL V V

V t t t ;

- timpul de propagare la frontul descresctor:

DD

p DD

p DD

p

prL

prL p DD P P pHL V

V V

V V

V

V

V V V t t

43ln

2

)(2ln

232

- influena prametrilor circuitului asupra timpilor de comutaie;

b) comutarea invers: - P4-P5: se deschide Tp, se nchide Tn; 0

54 P P t ;

- P5- P6: Tp deschis n saturaie (se ncarc sC ), Tn blocat:

t V V k C

t v p DD s

o2

21

)( (deoarece 0)0( ov );

- condiia ca Tp s ias din saturaie:)(

65 P P o DD Dsat p DD t vV V V V p P P o V t v )( 65

- rezult:

3265 22

P P p DD

p

p DD

p s P P t V V

V V V

V k C t ;

- P6- P1: Tp deschis n regiunea liniar, Tn blocat:

2

2

o DDo DD p DD

o s

vV vV V V k

dt dv

C

- condiia iniial: po

V v )0( .- se noteaz: uvV o DD cu: p DD V V u )0( i dudv o ;- se obine:

2

2u

uV V k dt du

C p DD s adic aceeai ecuaie ca la

comutarea direct, cu variabilau :

o DD

o DD p DD p DD

vV

vV V V

u

uV V

t

)()(2

ln2

)(2

ln2


24/34

Elecronic Digitala

t thV V V v p DD DDo 1

- se obin urmtorii timpi de comutaie, la fel ca la comutarea direct:

45,119ln216 P P

t ;

fHL p DD

p fLH t V V

V t 45,1 ;

pHL prL DD

prL DD p DD

p DD

p pLH t V V

V V V V

V V

V t

2ln

2

.

- pentru V p=V DD/3, se obin : t fLH =t fHL=1.95 i t p=0.75 .Deoarece regimul dinamic depinde de o constant de timp (n care unul dintermeni este chiar Cs), rezul t c avem un regim dinamic similar cu al circuituluiRC serie. n consecin, putem echiva, din punct de vedere al regimului dinamic,un tranzistor MOS cu o rezisten echivalent Re. Conceptual, putem aproxima

Re chiar cu expresia:

2

/e s

DD p

R C k V V

(n practic se pot folosi alte valori, a.. rezultatele calcului simplificat s fie ctmai aproape de cele msurate efectiv).Aceast proprietate simplific analiza regimuluidinamic al schemelor cutranzistoare MOS. Pentru a putea ine cont uor de factorul de form, se poatescrie:

2

''

e e

DD p

L R R

Z Z k V V L

,

cu

2

''e

DD p

Rk V V

care depinde exclusiv de parametrii procesului i deV DD . Astfel, pentru aimpune o anumit Re, se calcu leaz uor raportul Z/L necesar.- concluzii:

- comportare simetric la cele dou tranziii; - influena puternic a tensiunii de alimentare.

- exemplu numeric:


25/34

Elecronic Digitala

.9,38,21,1

;8,97,81,1;6

25;/16;5,1;10 2

nst t

nst t ns

pF C L Z

V Ak V V V V

pLH pHL

fLH fHL

sn

n p DD

(pentru un proces in care L=3 um aprox, cu C ox=0.6fF/um2).Idem, dac alimentm la VDD=5V i considerm Z/L=1,=21.4 ns. Pentru avedea evoluia cu tehnologia: -pentru un proces in care L=1 m, C ox=1.75 fF/um2, k=47 A/V2, V DD=2.4V,=4.63 ns

-pentru un proces in care L=0.1 um, C ox=16 fF/um2, k=432 A/V2, V DD=1.2V,=0.09 ns=90ps

-pentru un proces in care L=0.05 um, C ox=25 fF/um2, k=675 A/V2, V DD=1V,=0.026 ns=26ps

puterea disipat n regim tranzitoriu

- componenta determinat de regimul tranzitoriu al capacitilor de sarcin; * suma puterilor disipate la cele dou tranziii:

oo

o

T

T o DD Dp

T

oo Dn

odis dt vV idt viT

P

2

2 )(1

dt dv

C i o s Dn ;2

2

2

1 DD

o

s

T

o

V

ooo

o

so Dn

o

V T

C dvv

T

C dt vi

T

o

DD

;

o DD s DDo

s

dis f V C V

T

C P 22 ;

- dependena de frecven; - depend ena de ptratul tensiunii de alimentare.

- componenta determinat de fronturile neideale ale impulsurilor de comand se poate aproxima cu 0.2* C sV

2 DD f 0;

Puterea total disipat n regimul dinamic de inversor va fi deci 1.2* C sV 2 DD f 0;Aceast formul se pstreaz i pentru blocuri mai complexe. n consecin, putem determina puterea disipatn regimul dinamic de o schem cu N pori cafiind:

21.2dis smed DD o P NC V f ,


26/34

Elecronic Digitala

unde C smed este capacitatea de sarcin medie pentru o poart. n consecin, pentru orice cip logic, puterea disipatn regimul dinamic este deforma K V 2 DD f 0.

Puterea disipat n regim staionar (de obicei aceasta se calculeaz pentru stareade sleep), este V DD I leak , unde I leak este curentul absorbit de la surs n respectivastare (dat de catalog).

- comparaie cu circuite TTL:


27/34

Elecronic Digitala

Por i logice CMOS

Inversor three-state:

Dac OE=1 funcionare normal de inversor OE=0 star ea de mare impedan (poarta nu este afectatde valoarea luiVo, care poate fi modificat de alt bloc permite interconectarea la omagistral)

(este nevoie de un inversor suplimentar, pentru negarea lui OE)

Poarta NAND ( I-NU):

Tabela de adevr i schema corespunztoare:

A B Vo0 0 10 1 11 0 11 1 0


28/34

Elecronic Digitala

Poarta NOR (SAU-NU):

Tabela de adevr (cu evidenierea strii tranzistoarelor) i schemacorespunztoare:

A B Vo T1 T2 T3 T40 0 1 on on - -0 1 0 on - - on

1 0 0 - ? on -1 1 0 - - on on

- se obs. c pentru a avea ieireaconectat la VDD trebuie ca T1 i T2 s primeasc pe poart comand (altfelcel puin unul din ele va fi blocat ilegtura la VDD nu se realizeaz) - n ce stare e T2 cand A=1 i B=0 ?

Poarta AND

Tabe la de adevr:

A B Vo0 0 00 1 01 0 01 1 1

ATENIE: tranzistoarele P-MOS se leag numai la VDD, N-MOS numaila GND pt a avea garania c vor conduce. Dou soluii:

- poart NAND i apoi inversor; - poart NOR, cu intrri A\, B\ (negate);

A doua solu ie: din tabel, sau pt. c:


29/34

Elecronic Digitala

Prima soluie: arie mai mic (1 inversor). Preferat i pt. c permite uoradugarea de funcionare three-state:

Poarta XOR (SAU Exclusiv):

Tabela de adevr (cu evidenierearamurilorde circuit aflate n conducie) i schemacorespunztoare:

A B Vo R1 R2 R3 R40 0 0 - - - on0 1 1 on - - -1 0 1 - on - -1 1 0 - - on -


30/34

Elecronic Digitala

Dimensionarea tranzistoarelor n porile logice

Pt. inversor: Z p=2Z n (pt simetria regimurilor de comut aie, dat fiind c k n =2-3k p)

Se poate nota Z (pt tranzistorul NMOS), 2Z (pt tranzistorul PMOS)

Dimensionarea unei ramuri de 2 tranzistoare n serie:- fie o ramur cu cele dou tranzistoare de tip n, identice

- regimurile de funcionare, a.i. iD1=iD2 i VDS1+V DS2=V o, cu V o variindntre 1 i 0 (pentru descrcarea lui Cs):

- dac pe cele dou pori se aplic VDD:VGS1=V DD, V GS2=V DD-VDS1 ;conform figurii, pct de funcionare n care se deschid tranzistoarele:

VGS1=VDD

VGS2=VDD-VDS1

VDS1 VDD

iDS1=iDS2

VDS

iDS


31/34

Elecronic Digitala

- deci comutaia ncepe la un curent sensibil mai mic dect cel al ramuriicu un singur tranzistor (ca la inversor), comandat cu V GS1=V DD iconectat cu sursa la mas aprox. j umtate (i deci timpul de comutareva fi aprox. dublu) OBS - in figura, Vdd= 1V, Vp= 0.3 V

-

soluia: creterea factorului de form la ambele tranzistoare T1 i T2(de ce nu e suficient s cretem doar pentru T2 ?)- adic limea fiecruia din cele dou tranzistoare trebuie s fie dubl

fa de situaia cnd ramura are un singur tranzistor (ca la inversor) pta asigura a celai timp de comutaie: 2Z

Dimensionarea unei ramuri de n tranzistoare n serie:- dac sunt NMOS, limea lor este nZ - dac suntPMOS, limea lor este de n ori cea de la inversor, adic 2nZ

OBSERVA II 1) Dac am crete factorul de form doar pentru T2, curentul ar tinde s

creasc (spre curentul maxim), dar i Vds1 va crete, deci Vgs2 vascdea! Echilibrul se atinge la ids1=ids2=66% din curentul maxim(corespunztor schemei cu un singur tranzistor). Acest lucru se poateverifica rezolvnd ecuaia ids1=ids2, cu ids1 n regiune ohmic i ids2 nsaturaie, rezultnd Vds1 i apoi valoarea curentului. n figur estereprezentat raportul ntre curentul rezultat i cel maxim, cnd factorul deform al lui T1 e constant i cel al lui T2 ia valori ntre 1 i9.

2) Acelai lucru se poate verifica dac modelm fiecare tranzistor printr -orezisten echivalent (corespunztoare factorului lui de form). n acestcaz, pentru schema cu un tranzistor Rtot =R e1, pentru schema cu dou

Z2/L2

ids2/imax


32/34

Elecronic Digitala

tranzistoare nseriate Rtot =R e1+R e2 i pentru a obine valoarea ce mai sus,trebuie scazute (la jumtate) ambele rezistene, nu doar Re2!

Dimensionarea unei pori logice:

-

considerm Z limea de referin (a tranzistorului N din inversor) - pentru fiecare ramur cu n tranzistoare NMOS se dimensioneaztranzistoarele la nZ

- pentru fiecare ramur cu n tranzistoare PMOS se dimensioneaztranzistoarele la 2nZ

Ex : poarta XOR

Evident, aceasta duce la structuri ineficiente pentru numr mare de intrri. Deaceea, pentru mai mult de 3- 4 intrri se prefer (n proiectarea respectivului

bloc) s se foloseasc circuite echivalente cu mai puine intrri (precum i altetehnici)De ex., o poart NOR cu 6 intrri se poate implementa cu dou scheme NOR de3 intrri i o poart AND cu 2 intrri

Circuite combinaionale mai complexe ex unui circuit de adunare/ scdere pen bii

- se adun bit cu bit An+Bn- trebuie inut cont de transportul de la bitul precedent - trebuie generat eventualul transport pentru bitul urmtor


33/34

Elecronic Digitala

- scderea a dou numere = adunarea numrului A cu complementul nraport cu 2 al numrului B

Tabela de adevr pentru suma a doi bii An + Bn:

An Bn Cn-1 Sn Cn0 0 0 0 00 1 0 1 01 0 0 1 01 1 0 0 10 0 1 1 00 1 1 0 11 0 1 0 11 1 1 1 1

Schema pentru sumatorul pe 1 bit:

Prin conectare, se obine sumatorul pen bii

Se observ c S0 este prima ieire care ajunge la valoarea corect (dup 2t pXOR ),iar Sn- 1 ultima, deoarece trebuie ateptat ca C0, C1Cn-2 s ajung la valorile


34/34

Elecronic Digitala

corecte (aproximativ 3(n-1)t p, dac timpii de propagare prin porile XOR i NAND sunt egali).

Impulsuri eronate pe ie irile porilor

Fie o poa rt NOR, la care intrrile A i B variaz astfel:

Dac semnalele nu variaz perfect sincronizat, iA este ntrziat fa deB, este posibil ca la un moment dat A=0, B=0 i ieirea s nceap s comute spre 1 (i

chiar s ajung la nivelul 1 logic).

A B T1 T2 T3 T4 Vo0 1 1 X X 1 00 0 1 1 X X 1 1 0 X 1 1 X 0

Efecte negative:- consum de putere- posibil propagare a semnalului eronat

Evitarea:- comutarea unei intrri se face cnd cealalt este stabil (adic, dac A

comut, B stabil pt tp)- A i B comut sincronizat (v. Circuite secveniale)

A

B

A

B

Vo Vo

Module_inv_MOS.pdf

Documents

Transcript of Module_inv_MOS.pdf