Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS

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1 Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, Crema liberali Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 1 Tecnologia di fabbricazione CMOS bulk source (S) gate (G) drain (D) drain (D) gate (G) source (S) well n n p p p n Si parte da silicio debolmente drogato p, in cui si realizza una zona drogata n ( n-well ). ll interno della well (di tipo n) si costruiscono i transistori PMOS; mentre i transistori NMOS vengono costruiti sul substrato p. DUE polarizzazioni: substrato p collegato alla tensione più bassa; n-well collegata alla tensione più alta. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 2 1

2 Inverter CMOS + Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 3 Funzionamento dell inverter CMOS (1/4) + e sono in serie, perché sono attraversati dalla stessa corrente I D. La potenza statica dissipata è: P = I D. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 4 2

3 Funzionamento dell inverter CMOS (2/4) + bassa ( < V th,n ): spento; acceso (in triodo, perché I D = 0). Quindi ha v DS = 0, e =. alta ( > +V th,p ): spento; acceso (in triodo, perché I D = 0). Quindi ha v DS = 0, e = 0. Potenza dissipata (statica): P = I D = 0. È il principale vantaggio dei circuiti integrati CMOS: permette di avere il funzionamento in stand-by per i dispositivi alimentati a batteria. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 5 Funzionamento dell inverter CMOS (3/4) + Quando assume valori intermedi (V th,n < < +V th,p ), e sono entrambi accesi e I D 0). nche in questo caso I D () = I D (). Potenza dissipata (statica): P = I D > 0. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 6 3

4 Funzionamento dell inverter CMOS (4/4) in triodo e in regione attiva: ( K n 2(vIN V th,n ) v 2 ) ( ) 2 OUT = Kp vin V th,p e in regione attiva: K n ( vin V th,n ) 2 = Kp ( vin V th,p ) 2 in regione attiva e in triodo: K n ( vin V th,n ) 2 = = K p ( 2(vIN V th,p ) ( ) ( ) 2) Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 7 Caratteristica statica (ideale) V th,n +V th,p Caratteristica statica ingresso-uscita (ascisse: tensione di ingresso ; ordinata: tensione di uscita ) Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 8 4

5 Caratteristica V I del MOS (reale) Tenendo conto dell effetto della modulazione della lunghezza di canale, in saturazione la corrente di drain non è costante: i D = β 2 (v GS V th ) 2 (1+λv DS ) i D -1/λ v DS Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 9 Caratteristica e corrente di crow-bar i D V th,n +V th,p La caratteristica statica ingresso-uscita reale dell inverter CMOS non ha mai verticale. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 10 5

6 Livelli logici dell inverter (1/4) I punti in cui la caratteristica statica ingresso-uscita ha 1 determinano i livelli logici di ingresso e di uscita. v out V OH V OL V IL /2 V IH v in Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 11 Livelli logici dell inverter (2/4) v out V OH V OL V IL /2 V IH v in Se il segnale di ingresso è minore di V IL, viene interpretato come uno 0 logico; se è maggiore di V IH, viene interpretato come un 1 logico. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 12 6

7 Livelli logici dell inverter (3/4) v out V OH V OL V IL /2 V IH v in Se il segnale di ingresso è compreso tra V IL e V IH, il valore logico dell ingresso non è ben determinato (potrebbe essere interpretato come 0 o come 1, in modo dipendente dai parametri dei componenti, dalla temperatura, dalle fluttuazioni della tensione di alimentazione,... ). Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 13 Livelli logici dell inverter (4/4) v out V OH V OL V IL /2 V IH v in Le tensioni V OL e V OH sono i valori estremi che l uscita può assumere quando l ingresso ha un valore logico ben determinato ( 0 o 1 ). Per poter collegare le porte logiche in cascata, deve essere V OL < V IL e V OH > V IH affinché le uscite di una porta logica vengano sicuramente interpretate nel modo corretto dalla porta successiva. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 14 7

8 Margini di rumore v out V OH V OL V IL /2 V IH v in I margini di rumore (NM: Noise Margin) sono: NM H = V OH V IH NM L = V IL V OL In pratica, qualunque disturbo di ampiezza inferiore al margine di rumore non può far cambiare il significato del bit. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 15 Modello semplificato dei transistori MOS NMOS = R n PMOS = R p MOS a canale n: spento per tensione di gate bassa ( 0 ); acceso per tensione di gate alta ( 1 ). MOS a canale p: spento per tensione di gate alta ( 1 ); acceso per tensione di gate bassa ( 0 ). Le resistenze R n e R p tengono conto della resistenza del canale quando i transistori MOS sono accesi. Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 16 8

9 Pull-up e pull-down (1/2) PULL- UP PULL- DOWN PULL-UP: la parte che pilota l uscita al livello logico alto ( 1 ); è costituita da transistori PMOS PULL-DOWN: la parte che pilota l uscita al livello logico basso ( 0 ); è costituita da transistori NMOS Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 17 Pull-up e pull-down (2/2) PULL- UP PULL- DOWN Solamente uno dei due tra pull-up e pull-down è attivo le porte logiche CMOS hanno SS DISSIPZIONE DI POTENZ STTIC Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 18 9

10 NND a due ingressi PULL-UP PULL-DOWN Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 19 NOR a due ingressi PULL-UP PULL-DOWN Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p

11 Dualità delle porte logiche CMOS (1/2) Le porte NND e NOR sono duali: esse si ottengono l una dall altra scambiando: PMOS NMOS VDD VSS Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p. 21 Dualità delle porte logiche CMOS (2/2) PULL-UP: due transistori PMOS in parallelo verso VDD PULL-DOWN: due transistori NMOS in serie verso VSS Dal pull-up si ottiene il pull-down scambiando: PMOS NMOS VDD VSS serie parallelo parallelo serie Elettronica dei Sistemi Digitali Le porte logiche CMOS p