Exam of DIGITAL ELECTRONICS June 14 th, 2012 Prof. Marco Sampietro

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1 Exam of DIGITAL ELECTRONICS June 14 th, 2012 Prof. Marco Sampietro Matr. N NAME CMOS circuits Si supponga di avere una tecnologia CMOS con le seguenti caratteristiche: p =400 cm 2 /V s, n =1200 cm 2 /V s, C ox =2000 nf/cm 2, V T =0.5V, L min =60nm. Si consideri il circuito della figura seguente in cui W p =3. W n. (Suppose to have access to the following CMOS technology: p =400 cm 2 /V s, n =1200 cm 2 /V s, C ox =2000 nf/cm 2, V T =0.5V, L min =60nm. Consider the following circuit in which W p =3. W n.). +3V X OUT A B a) Completare la seguente tabella (Complete the following table) A B OUT X Static power dissipated

2 b) Calcolare la capacità di carico al nodo OUT nel caso in cui questa porta sia seguita da un inverter che utilizza transistori uguali a quelli usati nella porta (Find the load capacitance at node OUT in the case this circuit is followed by an inverter made of similar transistors) C OUT = c) Nel caso in cui B=0 ed A sia un clock alla frequenza di 100MHz, calcolare la potenza dinamica utilizzata dalla porta per spostare il nodo OUT. (Suppose B=0 and A a clock at frequency of 100MHz. Calculate the dynamic power dissipated by the gate to change node OUT.) P dyn OUT = - 2 -

3 d) Sempre nel caso in cui B=0 ed A sia un clock alla frequenza di 100MHz, cosa pensi che succeda al nodo X? Riflettere per capire se bisogna calcolare un contributo aggiuntivo di potenza dinamica dissipata per spostare il nodo X oppure no. Se si, calcolarlo. (Keep supposing B=0 and A a clock at frequency of 100MHz. What happens to node X? Should you calculate an additional dynamic power dissipated by the gate to change node X or not? If yes, calculate it) P dyn X = e) Calcolare la corrente massima disponibile in ognuno dei transistori durante le commutazioni e stimare il tempo di pull-down della porta. (Find the maximum current carried by each transistor during transitions and make an estimate of the pull-down time of the gate). I max nmos = t pull-down = - 3 -

4 f) Supporre di costruire un decoder a due bits fatto con transistori simili ai precedenti, come mostrato nella figura seguente. Calcolare la potenza dissipata dal decoder quando indirizza a 100MHz una memoria ROM avente parole di 16 bits. Supporre che la ROM sia fatta di transistori simili agli altri. (Suppose to build a 2 bits decoder with the same transistors used until now, as in the figure below. Calculate the power dissipated by the decoder when it is used to address word lines of a ROM having 16 bits words. Suppose the ROM is made of similar transistors and suppose to operate the decoder at 100MHz). P dec = - 4 -

5 ADC system design Si supponga di dover campionare e convertire un segnale analogico V in (t) avente una banda di 100MHz in un segnale digitale. Si decida di utilizzare il sistema di acquisizione di segnali mostrato nella figura seguente in cui l ADC ha 14 bits. L ampiezza massima del segnale Vin(t) sia di ±1V. (Suppose you have an analog input signal V in (t) whose bandwidth is of 100MHz and maximum amplitude ±1V. You decide to sample it and convert it by using the following acquisition system where the ADC has 14 bits). R2 9k V B R1 3k - + V H - + ADC 14 bits V in V G C H V A a) Fissare i valori di alimentazione (V A e V B ) dell ADC in modo da ottenere la massima risoluzione possibile del sistema e calcolare il valore della risoluzione V in min ottenuta in V in (t). (Chose V A and V B of the ADC, that is the minimum and maximum voltage of the converter, in order to obtain the maximum possible resolution of the input signal and calculate the resolution V in min obtainable in V in (t).) V A = V B = V in min = - 5 -

6 b) Ipotizzare che l interruttore nmosfet abbia R DSon =6. Inoltre, supporre di avere scelto un ADC veloce che converte il segnale in 2ns. Determinare il valore massimo della capacità di holding C H affinché la conversione avvenga correttamente. (Let us suppose that the nmosfet switch has R DSon =6. Let us also suppose that we have selected a fast ADC that convert a value into a number in 2ns. Calculate the maximum value of C H in order for the conversion to be precise within an LSB). C H = - 6 -

7 c) Considerate ora il fatto che l interruttore nmosfet abbia V T =0.6V ed una capacità di gate C G =5fF. Calcolare i valori minimi di tensione V G da applicare al gate del MOSFET per aprire e chiudere l interruttore. Determinare anche il corrispondente errore di risoluzione V H (in numero di LSB) che si commetterebbe in questo caso ad ogni campionamento. (Now, take into account that the nmosfet switch has a threshold V T =0.6V and a capacitance C G =5fF. Calculate the minimum values to be given to the gate voltage for opening and closing the switch. Determine also the resolution error V H (in number of LSB) that we introduce every time we sample the input signal.) V G close V G open V H = - 7 -

8 d) La resistenza R DSon di un interruttore MOSFET, sfortunatamente, varia al variare dell ampiezza del segnale di ingresso. Una buona approssimazione del suo valore è data dalla espressione 1 R DSon.Paragonare i due interruttori della figura, calcolando R DSon quando il k(vgs VT ) segnale di ingresso è minimo (V in =-1V) e quando è massimo (V in =+1V) nel caso in cui k=2ma/v 2 sia per nmosfet che per pmosfet. Usare il valore di V G close =+5V. Commentare il risultato. (The resistance R DSon of a MOSFET switch unfortunately varies with the input signal. 1 An approximation of its value is R DSon. Compare the following two types of k(vgs VT ) switches in terms of R DSon in the case k=2ma/v 2 for both nmosfet and pmosfet. Use a value of V G close =+5V. Calculate the value of R DSon when the input signal is minimum (V in =-1V) and when it is maximum (V in =+1V). Make a final comment on which switch you would select) R1 3k - + R2 9k V H nmosfet V C in V H G R DS -1V = R DS +1V = R1 3k - + R2 9k V G pmosfet V H nmosfet V C in V H G R DS -1V = R DS +1V = - 8 -