Integrált áramkörök/3 Digitális áramkörök/2 CMOS alapáramkörök Rencz Márta Ress Sándor

Átírás

1 Integrált áramkörök/3 Digitális áramkörök/2 CMOS alapáramkörök Rencz Márta Ress Sándor Elektronikus Eszközök Tanszék

2 Mai témák A CMOS inverter, alapfogalmak működés, számitások, layout CMOS kapu áramkörök alapkapuk, komplex kapuk 2/20

3 CMOS áramkörök Complementary MOS, n és p típusú növekményes tranzisztorok manapság egyeduralkodó logikai áramkörökben Elõnyei: a logikai szintek "tiszták", U H =U, U L =0V a statikus áramfelvétel =0 azonos fel- és lekapcsolási idők gyors működés tápfeszültség érzéketlen 3/20

4 CMOS inverter U U p Uin Uout Uin Uout n egy n és egy p típusú növekményes tranzisztorból aktív terhelésű inverter, a 2 tranzisztort egyszerre vezéreljük állandósult állapotban a két tranzisztor közül mindig csak az egyik vezet, a másik lezárt 4/20

5 CMOS inverter A kivitel vázlata egy keresztmetszeti ábrán A technológia bonyolultabb: az egyik tranzisztornak külön zsebet kell kialakítani, általában az n vezetésesnek, mivel a zseb diffúziója rontja a töltéshordozók mozgékonyságát 5/20

6 A CMOS inverter transzfer karakterisztikája 2 alapeset, a tápfeszültségtől és a tranzisztorok küszöbfeszültségétől függően Felső tranzisztor vezet Alsó tranzisztor vezet Felső tranzisztor vezet Alsó tranzisztor vezet V Tp V Tn V Tn V Tp U in 0 0 U U U in 1. kis tápfeszültség: U < V Tn + V Tp egyszerre csak az egyik tranzisztor vezet 2. nagyobb tápfeszültség V dd > V Tn + V Tp átkapcsoláskor egyszerre vezet mindkét tranzisztor 6/20

7 CMOS inverter 1. kis tápfeszültség: U < V Tn + V Tp a karakterisztika: U out U dd, ha... U = határozatlan, ha... VTn < U 0, ha... U Uout in in in < U < U < V dd Tn dd V V Tp Tp Uout U U határozatlan Uin Uin U-VTp VTn U VTn U U-VTp A transzfer karakterisztika középső szakasza nagyon meredek, ez a CMOS inverter jellegzetes előnye. 7/20

8 CMOS inverter 2. nagyobb tápfeszültség V dd > V Tn + V Tp Átkapcsoláskor? a karakterisztika szerkesztése: Uin U Uout U be =U GSn U ki =U DSn 8/20

9 CMOS inverter Méretezés szimmetrikus működésre: Ha U in =U K komparálási feszültség, a két tranzisztor árama megegyezik: K U 2 n( U K VTn ) = K p ( U U K VTp K U = V Tp 1+ + V K n Tn / K K p n / K p ) 2 U GSn =U K U GSp =U -U K A komparálási feszültség függ a két tranzisztor áramállandójának arányától. Ha a komparálási feszültséget a tápfeszültség felére szeretnék beállítani, és V Tn = V Tp, akkor K n =K p -t kell beállítani. W W = L P L, mivel a lyukak mozgékonysága kb. 2, n 2.5x kisebb. 9/20

10 A kapcsolási idők számítása CMOS inverter Ha a 2 tranzisztor komplementer karakterisztikájú, a kapcsolási idők (fel és lefutás) egyformák lesznek. VLM Ha pl. 1-0 átmenetre: I c K ( U VT 2 ) t l = V C I t L C L du CL ( U = K( U V V LM 2 T ) ) Csökkenthető a tápfeszültség vagy W/L növelésével 10/20

11 CMOS inverter Példa Mekkora a következő adatokkal rendelkező CMOS inverter kapukésleltetése? CL=0.04pF, K0=20μ A/V 2 ; Vdd=5V; VT=1V; ULM=1V; W/L=2 (K=K0*W/L) t L CL ( U = K( U V V LM 2 T ) ) = 40E 15*4 2E 5*16 = 0.5ns 11/20

12 CMOS inverter FOGYASZTÁS Statikus fogyasztás nincs, a kapu statikus állapotában áram nem folyik. A működés közbeni, dinamikus fogyasztás két részből áll Egymásba vezetés a bemenő jel felfutásának egy szakaszában mindkét tranzisztor egyszerre vezet, ha V Tn <U in <U -V Tp Töltés-pumpálás Jelváltásokkor a kimeneten lévő C L terhelést 1-re váltáskor a p tranzisztoron keresztül tápfeszültségre töltjük, majd 0-ra váltáskor az n tranzisztoron keresztül kisütjük. töltést pumpálunk a tápból a föld felé. 12/20

13 CMOS inverter Egymásba vezetés a bemenő jel felfutásának egy szakaszában mindkét tranzisztor egyszerre vezet, ha V Tn <U in <U -V Tp I [10uA], U [V] I Vin Vout n 10.0n 20.0n 30.0n 40.0n time [sec] ( ) 2 I MAX = K U / 2 VT, az átfolyó töltés, ΔQ = bt I UD MAX ahol t UD az idő, amíg áram folyik, b egy konstans, ami az átkapcsoló jel alakjától függ. b P = fδqu = fu bt K U / 2 V ) UD P~f U 3 ( T (SPICE szimuláció) 13/20

14 Töltés-pumpálás CMOS inverter Jelváltásokkor a kimeneten lévő C L terhelést 1-re váltáskor a p tranzisztoron keresztül tápfeszültségre töltjük, majd 0-ra váltáskor az n tranzisztoron keresztül kisütjük. töltést pumpálunk a tápból a föld felé. ΔQ = C L L U P cp =f C L U 2 A töltéspumpálás teljesítmény igénye arányos a frekvenciával és a tápfeszültség négyzetével. A teljes fogyasztás a 2 összege (ha egymásba vezetés is van), arányos a frekvenciával és a tápfeszültség hatványával. 14/20

15 CMOS inverter layoutja U n zseb p + n - n + S D p-mos n + Uout p zseb p - p + S D n-mos GND Uin poli 15/20

16 CMOS kapuk A CMOS inverterben mindkét tranzisztort vezéreljük. A kapuk esetében egy "felső" ill. "alsó" hálózat fog megjelenni, mindkét hálózat annyi tranzisztorból áll, ahány bemenete van a függvénynek. Azoknál a bemeneti kombinációknál, ahol a függvény értéke 0, az alsó hálózat rövidzár a kimenet és a föld között, míg a felső hálózatnak szakadás a kimenet és a táp között ha a függvény értéke 1, akkor az alsó hálózat szakadás, a felső hálózat rövidzár a p ill. n tranzisztorokkal duális hálózatokat kell megvalósítani 16/20

17 CMOS NOR kapu az alsó hálózat két párhuzamosan kötött tranzisztorból áll. Ha A vagy B bemenet magas, valamelyik alsó tranzisztor vezet, a felső hálózatban viszont zár, így a kimenet 0. Ha mindkét bemenet 0, akkor a két alsó tranzisztor zár, a két felső nyit, a kimenet 1. 17/20

18 CMOS NAND kapu az alsó hálózat két sorba kötött tranzisztorból áll. CMOS kivitelben nem jelent hátrányt a NAND kapuk használata a NOR kapukkal szemben Egy n bemenetű CMOS kapuhoz 2n db tranzisztorra van szükség, (passzív terhelésű kapuknál csak n+1 kellett) 18/20

19 CMOS NAND kapu layoutja U fém p + p zseb out n + GND In1 In2 Poli Si 19/20

20 CMOS komplex kapuk Mint az NMOS komplex kapuk, de a terhelés PMOS tranzisztorokból az NMOS meghajtó hálózat duális hálózata. U F = A + BC A U out B C 20/20