Elettronica digitale
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Elettronica digitale Inverter e modello semplificato del MOS Andrea Bevilacqua U NIVERSIT À DI PADOVA a.a 2008/09 Elettronica digitale – p. 1/18 Introduzione • In questa lezione verrà discussa la realizzazione a livello di transistor della porta logica più semplice: l’invertitore (porta NOT). Verrà introdotto un modello semplificato per l’analisi del comportamento dell’invertitore. Partendo dall’invertitore, introdurremo delle figure di merito per quantificare le prestazioni delle porte logiche in genere. • Lettura: (R) 5.1, 5.2, 1.3.2 Elettronica digitale – p. 2/18 Inverter • Il blocco base che vogliamo analizzare è l’inverter (porta NOT) che è il nucleo dei circuiti digitali Elettronica digitale – p. 3/18 Modello del MOS • Il modello del MOS è però abbastanza complicato 0 h i off |VDS |2 W ′ |ID | = k L (|VGS | − |Vt |)|VDS | − 2 k′ W (|V | − |V |)2 (1 + λV ) t GS DS 2 L lineare saturazione dove k′ = µCox • Dobbiamo cercare una modellizzazione più semplice per un’analisi più immediata ed intuitiva Elettronica digitale – p. 4/18 MOS come switch • Ma il transistor MOS non è altro che un interruttore! • Come definire Ron ? Elettronica digitale – p. 5/18 Resistenza “on” del MOS 1/2 • Definisco Ron come resistenza media 1 Ron = t2 − t1 Z t2 VDS (t) t1 1 dt = ID (t) VDS2 −VDS1 Z VDS 2 VDS1 VDS dVDS ID (VDS ) Elettronica digitale – p. 6/18 Resistenza “on” del MOS 2/2 • L’espressione trovata per Ron è ancora complicata • La cosa fondamentale è notare che Ron ∝ 1 k′ WL • Z = W /L è il fattore di forma – Un transistor più largo ha Ron minore – Un transistor più lungo ha Ron maggiore ′ ′ > kPMOS • Poiché kNMOS – NMOS ha Ron più piccola di PMOS a parità di Z Elettronica digitale – p. 7/18 Analisi statica dell’inverter • Vedendo il MOS come switch ho immediatamente – Vin = VDD = ‘1’ ⇒ Vout = 0 V = ‘0’ – Vin = 0 V = ‘0’ ⇒ Vout = VDD = ‘1’ Elettronica digitale – p. 8/18 Caratteristiche fondamentali Nell’inverter CMOS statico: • I livelli logici d’uscita corrispondono a 0 V e VDD • I livelli logici d’uscita non dipendono dalle dimensioni dei transistor MOS • In condizioni stazionarie non esiste un cammino diretto tra alimentazione e massa. Quindi non c’è flusso di corrente e quindi non c’è consumo di potenza (a meno delle correnti di leakage). Elettronica digitale – p. 9/18 Voltage transfer characteristic 1/2 • Costruiamo la caratteristica di trasferimento ingresso-uscita (VTC) tramite le curve di carico Elettronica digitale – p. 10/18 Voltage transfer characteristic 2/2 Elettronica digitale – p. 11/18 Tensione di soglia logica 1/2 Elettronica digitale – p. 12/18 Tensione di soglia logica 2/2 Per l’inverter CMOS statico facciamo un’analisi molto approssimata • Per Vin = VM entrambi in MOS sono accesi e saturi • Approssimando i MOS tramite le loro Ron ho Ron,n VM ≈ VDD Ron,n + Ron,p • Per avere VM = VDD /2 devo avere Ron,n = Ron,p ⇒ Z p kn′ = ′ Zn k p Elettronica digitale – p. 13/18 Regione indefinita Elettronica digitale – p. 14/18 Margini di rumore Elettronica digitale – p. 15/18 Proprietà rigenerativa 1/2 Elettronica digitale – p. 16/18 Proprietà rigenerativa 2/2 Elettronica digitale – p. 17/18 Fan-in e Fan-out Elettronica digitale – p. 18/18
