Sviluppo tecnologico dell elettronica digitale:

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1 Sviluppo tecnologico dell elettronica digitale:

2 Prestazioni e problemi:

3 Famiglia logica: Insieme di gates che svolgono le funzioni logiche elementari basata su prefissati livelli logici (tensione/corrente), tecnologia (BJT/MOS), tempi di commutazione, capacita' di interconnessione (pilotaggio/bus/...), etc Insieme di circuiti integrati direttamente interconnettibili Inizio '900: Rele' (es. centralini telefonici, Z3 (Germania )) Anni '40-'50: Tubi a vuoto (es. ENIAC (US )) Anni '60: Transistor bipolari (Discreti, poi integrati - Es. RTL, DTL, TTL,...) Anni '70 - '80: PMOS, NMOS (Zilog Z80, Intel 8080, Motorola 6502, Fairchild F8,..) Anni '90 Tutto! : CMOS Proprieta' fondamentale di ogni famiglia logica: Tutti tipi di gate basati su un'unica funzione logica fondamentale: NOT Circuito che esegue la funzione logica NOT: Inverter Inverter come mattone fondamentale

4 Caratteristica di trasferimento: Inverter ideale V : tensione per cui V = V M in out Caratteristica di trasferimento: Inverter reale Intervallo di V in Intervallo di V in che da V out = 1 che da V out = 0

5 V, V : Livelli di ingresso min, max per i quali IL IH la pendenza della curva di trasferimento = 1 V OL, V : Livelli di uscita min, max per i quali OH la pendenza della curva di trasferimento = 1 Condizioni in figura: M pilota correttamente N Margine di rumore: V V OH IL V V IH OL mdr 'alto' mdr 'basso' Margine di rumore elevato = Garanzia di funzionamento corretto

6 MOS usati come interruttori: NMOS ON per VG +va PMOS ON per VG -va Inverter NMOS:

7 I DS Input HIGH Input LOW Problemi inverter NMOS/PMOS: Per input HIGH, output 1. 2V Stadio successivo pilotato da un LOW troppo alto Inoltre: R grandi: difficili e non benvenute ( 1 CPU di oggi 10 kw!) 5 I LOW µ A Pinv µ W Ptot W / transistor

8 Inverter CMOS: Caratteristica principale: Staticamente, corrente nulla Consumo statico 0 Lunghezza del gate = Lunghezza del canale Uguale per NMOS e PMOS Larghezza del gate = Larghezza del canale Diversa per NMOS e PMOS, per avere stessa corrente di drain in presenza di diverse mobilita' per elettroni e lacune

9 Caratteristiche di uscita per NMOS e PMOS: Corrente di drain (N) vs tensione fra drain e source Valori di corrente vs tensione NMOS/PMOS per diversi V Circoletti rossi: V out Ricostruzione della relazione V = Tensione comune di NMOS e PMOS vs. V 0 VDD Vin= Vout= OK VDD 0 Inoltre: V V V 0, V 0 V V in DD out in out DD Ossia: V invariata per V da valori nominali out 'Margine di rumore' elevato OK in out in in

10 Risposta in/out di un inverter 'ideale': Risposta in/out di un inverter CMOS:

11 Infatti:

12 Caratteristiche di uscita per NMOS e PMOS: fattore 2 in larghezza canale garantisce simmetria

13 ( ) V tensione di drain comune t.c. V = V M in out Corrente per NMOS 2 ( )( 1 λ ) I = v W C V V + V Dn sat, n n 0x M Tn n M Corrente per PMOS 2 ( )( 1 λ ( )) I = I = v W C V V + V + V V Dp Dn sat, p n 0x DD M Tp p DD M g = v W C n sat, n n 0x g = v W C p sat, p p 0x Trascurando i λ: v sat, p W C p ( V V + V ) v W C ( V V ) ( + ) ( ) ( ) x DD M Tp sat, n n 0x M Tn 2 2 g V V V g V V p DD M Tp n M Tn g V V + V V V ( ) n DD M Tp M Tn g p g n gn V 1 + V + V + V g p g p V M Tn Tp DD M g g p n V + V + V DD Tp Tn 1+ g g p n

14 Nessuna potenza dissipata staticamente Ma: potenza dissipata dinamicamente Durante le transizioni Carica e scarica del carico capacitivo ( C ( stadio n) + C ( stadio n+ 1) ) out in dv O il= CL dt 0 0 ( ) P = i V = i V V P L DS L DD O VDD P L( DD O) O L DD L DD L DD 0 corrente nella capacita' dvo EP= P () t dt= CL( VDD VO) dt Pot. istantanea dissipata dal PMOS Energia E = C V V dv = C V C V = C V EN= CLVDD En. dissipata nel NMOS 2 2 E = C V En. totale dissipata T L DD dt Pot. dissipata: P= fe = fc V 2 T L DD

15 Inoltre: Passaggio di corrente nell'inverter durante le transizioni Pot. dissipata tsal+ tdisc PSC VDDIm ax f 2 Inoltre: Piccola potenza dissipata staticamente (correnti residue) Totale: t + t P = fc V + V I f+ P 2 2 sal disc tot L DD DD max stat

16 Esempi di reti logiche CMOS: