Logica CMOS statica - Corsi di Laurea a Distanza

Tecnologia CMOS
Ing. Ivan Blunno
21 aprile 2005
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Introduzione
In questa dispensa verranno presentati i circuiti CMOS (Complementary MOS).
Nella prima parte verrà analizzato in dettaglio il funzionamento di un circuito
CMOS molto semplice (inverter); in seguito si analizzerà la tecnica di progetto
di circuiti in grado di implementare funzioni logiche più complesse.
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Inverter CMOS
In figura 1 è mostrato lo schema elettrico di un inverter CMOS. Esso è composto
di due soli transistor: un NMOS ed un PMOS. Analizzeremo il funzionamento
del circuito da un punto di vista logico, considerando cioè:
• 1 logico ' VDD
• 0 logico ' 0
I transistor possono essere considerati degli interruttori (figura 2.a). In particolare il transistor NMOS condurrà quando il suo gate sarà ad una tensione
superiore a VT n , mentre il transistor PMOS condurrà quando la tensione sul suo
gate sarà inferiore a VDD − |VT p |. Più semplicemente consideriamo i seguenti
due casi:
• A = 0.
In questo caso il transistor NMOS sarà interdetto mentre il transistor
PMOS sarà in conduzione (fig 2.b). In questa condizione l’uscita sarà a
livello logico alto (Y = 1);
• A = 1.
In questo caso il transistor PMOS sarà interdetto mentre il transistor
NMOS sarà in conduzione (fig 2.c). In questa condizione l’uscita sarà a
livello logico basso (Y = 0);
1
Y
A
Figura 1: Inverter CMOS: schema elettrico.
Y
a)
Y
b)
Y
c)
Figura 2: Inverter CMOS: a)equivalente elettrico, b)ingresso a 0 logico, c)
ingresso a 1 logico.
2
B
A
Y
A
B
A B
Y
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
Figura 3: Porta logica NAND.
Da questa semplice analisi è possibile verificare il corretto funzionamento del
circuito in questione: un ingresso a 1 porta l’uscita a 0, un ingresso a 0 porta
l’uscita a 1.
Già in questo semplice circuito è possibile notare la struttura complementare dei circuiti CMOS (che verrà meglio evidenziata nel seguito): quando il
transistor NMOS conduce, il PMOS è interdetto e viceversa.
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Porta logica NAND
In figura 3 è mostrato lo schema elettrico di una porta logica NAND CMOS e la
sua tavola di verità. Considerando i transistor ancora una volta come se fossero
degli interrutori è facile analizzare il comporatmento del circuito.
• A = 0, B = 0. I transistor NMOS sono entrambi interdetti, mentre i
transistor PMOS conducono entrambi. In questa condizione l’uscita Y
non può che valere 1.
• A = 0, B = 1. Il transistor NMOS controllato da B adesso conduce, ma
si trova comunque in serie ad un altro transistor NMOS interdetto (quello
controllato da A). Il cammino verso massa risulta dunque interdetto. Per
quanto riguarda i PMOS invece, il transistor controllato da B è interdetto,
ma si trova in parallelo ad un transistor che conduce (quello controllato
da A). L’uscita Y varrà pertanto 1.
3
A
B
Y
B
A
A B
Y
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
Figura 4: Porta logica NOR.
• A = 1, B = 0. Questo caso è assolutamente identico al precedente e l’uscita
Y varrà ancora 1.
• A = 1, B = 1. In quest’ultima configurazione entrambi i transistor NMOS
sono in conduzione (permettendo un cammino verso massa) mentre i
transistor PMOS sono entrambi interdetti. L’uscita Y varrà dunque 0.
4
Porta logica NOR
Un’analisi del tutto analoga a quella condotta nel paragrafo precedente può
essere utilizzata per verificare il corretto funzionamento della porta NOR CMOS
mostrata in figura 4. Si noti come la strutura è assolutamente la duale della
precedente: i transistor che prima erano in serie ora sono in parallelo e viceversa.
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Generiche funzioni logiche in tecnologia CMOS
La struttura di un circuito CMOS che implementi una generica funzione logica
è visualizzata in figura 5. Essa è essenzialmente composta di due reti, una
di pull-up ed una di pull-down le quali devono essere mutualmente esclusive,
non devono cioè mai condurre contemporaneamente (da qui il nome di logica
complementare).
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V1
V2
V3
Vn
PULL
UP
Y
V1
V2
V3
Vn
PULL
DOWN
Figura 5: Schema di un generico circuito CMOS
Per progettare le due reti è sufficiente seguire tre semplici regole pratiche che possono essere derivate direttamente dall’analisi delle tre porte logiche
elementari condotte nei paragrafi precedenti:
• La tecnologia CMOS permette di realizzare direttamente solo funzioni
negate (not, nand, nor). Il problema può ovviamente essere ovviato inserendo un ulteriore inverter in cascata alla funzione logica stessa. Questo
ovviamente comporta un costo aggiuntivo.
• Per realizzare un’operazione di and si dovranno porre dei transistor NMOS
in serie (uno per ogni operando) nel ramo di pull-down e lo stesso numero
di transistor PMOS in parallelo nel ramo di pull-up.
• Per realizzare un’operazione di or si dovranno porre dei transistor NMOS
in parallelo (uno per ogni operando) nel ramo di pull-down e lo stesso
numero di transistor PMOS in serie nel ramo di pull-up.
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Esercizio
Allo scopo di meglio chiarire quanto detto fin’ora, consideriamo un semplice
esempio. Si progetti un circuiti CMOS che realizzi la seguente funzione logica:
Y = (A + B) · (C + D) + E
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A
C
B
D
E
Y
A
B
E
C
D
Figura 6: Esempio: Y = (A + B) · (C + D) + E
Poiché, come detto, in tecnologia CMOS si possono solo reealizzare funzioni
negate, noi saremo in grado di realizzare la funzione
Y = (A + B) · (C + D) + E
e poi dovremo porre un inverter in cascata.
Seguendo le regole descritte in precedenza sarà semplice ottenere il circuito
di fugura 6.
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