Elettronica 2
© Alessandro Bogliolo
Esercitazione 2: Buffer con effetto bootstrap
Vdd
1
C1 = 0.01pF
CL = 0.1pF
Vdd = 3.3V
M2
M4
C1
2
5
Vin
M5
3
M1
Vout
4
CL
M3
0
1. Caratteristica statica in assenza di effetto body
•
•
•
•
Modello di transistor (Level=1 Vto=0.7 Kp=134u Gamma=0, Tox non specificato)
Tutti transistor con W=1u, L=1u (tecnologia di riferimento da 0.5u)
Vin = 0V
=>
Vout = 1.9V
La tensione d’uscita è pari a Vdd-2Vto. Le due soglie perse sono quelle di M2 e di M4.
L’effetto bootstrap non influenza l’analisi statica poiche’ si tratta di un effetto dinamico, legato alla
ritenzione di carica al nodo 3.
Vin = 3.3V =>
Vout = 0.7mV
Il valore della tensione d’uscita bassa non è 0. Questo indica che c’e’ un percorso conduttivo verso
Vdd che contrasta lo scaricamento completo dell’uscita. L’unico possibile percorso conduttivo verso
Vdd è attraverso M4, che quindi deve essere debolmente acceso (visto che il modello di transistor che
stiamo utilizzando non include correnti sotto soglia). L’accensione di M4 è imputabile al valore di
tensione troppo alto al nodo 3, che non è altro che il valore della tensione al nodo 2 trasmesso da M5.
In ultima analisi, l’accensione indesiderata di M4 è imputabile al valore di tensione non
sufficientemente basso al nodo 2, uscita del prima stadio invertente. Per rimediare all’inconveniente
occorre cambiare il rapporto di dimensionamento tra M2 ed M1, ad esempio allargando il canale di M1
(W=2u). Ripetendo l’analisi statica si ottiene
Vin = 3.3V =>
Vout = 0V
2. Caratteristica statica in presenza di effetto body
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•
Modello di transistor (Level=1 Vto=0.7 Kp=134u Gamma=0.45, Tox non specificato)
Vin = 0V
=>
Vout = 1.3V < Vdd-2Vto
3. Transitorio
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•
•
Modello di transistor (Level=1 Vto=0.7 Kp=134u Gamma=0, Tox non specificato) privo di effetti reattivi
Vin = 0 -> Vdd -> 0
All’inizio del transitorio il valore dell’ingresso è 0 e quello dell’uscita è 1.9V, come indicato dall’analisi
statica (l’effetto bootstrap non è ancora attivo). Alla fine del transitorio il valore dell’ingresso è ancora 0,
ma quello dell’uscita è 3.3V per effetto bootstrap al nodo 3. L’effetto bootstrap si innesca durante il
transitorio di salita dell’uscita:
• appena l’ingresso va a 0, il primo stadio invertente comincia a caricare i nodi 2 e 3 attraverso M2
(sempre acceso), mentre il secondo stadio deve aspettare l’accensione di M4 per cominciare a
caricare il nodo 4 d’uscita.
• la carica del nodo 4 comincia solo quando il nodo 3 supera Vt
• poiché la capacità C1 (carico del primo stadio) è molto inferiore a CL (carico del secondo stadio) il
transitorio di salita di 3 è praticamente istantaneo rispetto a quello di 4. Si può quindi considerare
che il nodo 3 raggiunga la tensione massima a cui M2 può portarlo (Vdd-Vt) quando il nodo 4 è
ancora a 0.
• Quando il nodo 4 comincia a salire, il nodo 3 è praticamente isolato (non ha percorsi conduttivi
verso massa per scaricarsi e i percorsi conduttivi verso Vdd non possono caricarlo oltre il valore
Facoltà di Ingegneria – Università di Ferrara – A.A. 1999/2000
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già raggiunto) e non può che seguire il nodo 4, mantenendo la tensione Vdd-Vt ai capi di C1. Tale
tensione è anche la Vgs che mantiene fortemente acceso M4 per tutto il transitorio di salita.
Alla fine del transitorio il nodo 3 è alla tensione Vdd+Vdd-Vt, il nodo 4 a Vdd.
4. Transitorio con C1=CL
•
•
•
L’aumento di C1 rallenta sensibilmente il transitorio di salita perché aumenta la capacità di carico del
primo stadio e perché riduce l’effetto bootstrap (questo si può notare osservando il valore finale della
tensione al nodo 3, ben inferiore a Vdd+Vdd-Vt).
La riduzione dell’effetto bootstrap è dovuta al rallentamento del transitorio di salita del nodo 3,
paragonabile a quello del nodo 4, che segue con un ritardo pari al tempo necessario a V(3) per
raggiungere Vt di M4. La differenza di potenziale che viene mantenuta ai capi di C1 è quella che c’è
nel momento in cui il nodo 3 diventa isolato, cioè nel momento in cui V(3) raggiunge Vdd-Vt. Se in quel
momento la tensione al nodo 4 non è 0, ma V4 > 0, la differenza di tensione è Vdd-Vt-V4 < Vdd-Vt.
Poiché la tensione ai capi di C1 è la Vgs di M4, la riduzione dell’effetto bootstrap riduce anche
l’accensione di M4, rendendolo meno conduttivo e rallentando ulteriormente il transitorio di salita.
5. Transitorio con C1=0 in assenza di effetti reattivi dei transistor
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•
•
Si annulla l’effetto bootstrap
La massima tensione d’uscita è 1.9V
Il transitorio di salita è relativamente lento
Il transitorio di salita del nodo interno 3 è molto veloce per assenza di carico
6. Transitorio con C1=0 in presenza di effetti reattivi dei transistor
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•
Modello di transistor (Level=1 … Tox=90e-10)
Specificando il parametro Tox nel modello dei transistor si mettono in conto gli effetti reattivi.
L’effetto bootstrap è dovuto alle capacità parassite di M4 ed M3
La capacità parassite di M3 ed M4 costituiscono ulteriori carichi per il primo stadio invertente
Il transitorio è sensibilmente più lento
La tensione d’uscita raggiunge Vdd
7. Ulteriori analisi suggerite
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Parametri di interesse:
• Tensione d’uscita bassa VoutL
• Tensione d’uscita alta in condizioni statiche (VoutHs) e dinamiche (VoutHd)
• Tempo di salita Tr
• Tempo di discesa Th
• Ritardo di propagazione Td
Studiare l’andamento dei parametri di interesse in funzione di:
• Dimensionamento di M1
• Dimensionamento di M2
• Rapporto tra i fattori di forma di M1 ed M2
• Capacità C1
• Capacità CL
• Rapporto tra C1 e CL
• Dimensionamento di M3
• Dimensionamento di M4
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