Elettronica digitale

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
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Inverter
• Il blocco base che vogliamo analizzare è l’inverter
(porta NOT) che è il nucleo dei circuiti digitali
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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
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MOS come switch
• Ma il transistor MOS non è altro che un interruttore!
• Come definire Ron ?
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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 )
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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
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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’
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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).
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Voltage transfer characteristic 1/2
• Costruiamo la caratteristica di trasferimento
ingresso-uscita (VTC) tramite le curve di carico
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Voltage transfer characteristic 2/2
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Tensione di soglia logica 1/2
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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
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Regione indefinita
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Margini di rumore
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Proprietà rigenerativa 1/2
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Proprietà rigenerativa 2/2
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Fan-in e Fan-out
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