Elettronica digitale

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1 Elettronica digitale Porte logiche a rapporto e a pass transistor Andrea Bevilacqua UNIVERSITÀ DI PADOVA a.a 2008/09 Elettronica digitale p. 1/22

2 Introduzione In questa lezione analizzeremo modalità di progetto di circuiti combinatori differenti dalle porte logiche statiche complementari. In particolare, studieremo le porte logiche a rapporto e quelle a pass transistor. Lettura: (R) 6.2.2, Elettronica digitale p. 2/22

3 Logiche a rapporto 1/3 Vogliamo diminuire il numero di dispositivi necessario per realizzare ciascuna porta logica In questo modo riduciamo area e carico capacitivo Elettronica digitale p. 3/22

4 Logiche a rapporto 2/3 Rimpiazziamo il PUN con un carico fisso Passiamo dai 2N transistor delle porte CMOS statiche an transistor + dispositivo di carico Elettronica digitale p. 4/22

5 Logiche a rapporto 3/3 La tensionev OH =V DD come nelle porte CMOS statiche ma......la tensione associata allo 0 èv OL >0 V Elettronica digitale p. 5/22

6 Carico resistivo V OL =V DD R I PDN (V OL ) V OL R PDN R PDN +R L V DD Comportamento dinamico asimmetrico: t p,hl =0.69(R PDN R L )C L t p,lh =0.69R L C L Elettronica digitale p. 6/22

7 Carico attivo (pseudo-nmos) Come carico utilizzo un pmos sempre acceso Le caratteristiche della porta dipendono dal rapporto fra le dimensioni del pmos e quelle dei transistor nmos del PDN Elettronica digitale p. 7/22

8 Inverter pseudo-nmos 1/3 Il PDN è costituito da un solo nmos La tensione d uscita corrispondente [ allo 0 èv OL : ] k pw p 2 L p (V DD V t,p ) 2 =k n W n L n (V DD V t,n )V OL V2 OL 2 Elettronica digitale p. 8/22

9 Inverter pseudo-nmos 1/3 PerV t,n = V t,p =V t si ha: ( V OL = (V DD V t ) 1 1 k pw p /L p k nw n /L n ) Elettronica digitale p. 9/22

10 Inverter pseudo-nmos 3/3 C è un trade-off tra margini al rumore e tempo di propagazione In ogni caso c è consumo statico di potenza Elettronica digitale p. 10/22

11 Porte logiche DCVSL 1/3 È possibile creare logiche a rapporto eliminando il consumo statico e ottenendov OL =0 V Sfruttiamo ingressi diretti e negati e una topologia differenziale per creare porte Differential Cascode Voltage Switch Logic Elettronica digitale p. 11/22

12 Porte logiche DCVSL 2/3 PDN1 e PDN2 sono fatte da nmos e sono mutualmente esclusive Il carico a pmos sfrutta la retroazione positiva Elettronica digitale p. 12/22

13 Porte logiche DCVSL 3/3 Ad ogni commutazione abbiamo una logica a rapporto fino a che il nodo che si scarica si porta a V DD V t,p, dopo la porta scatta allo stato finale Ho consumo statico nullo perché PDN1 (PDN2) e M1 (M2) non sono accesi contemporaneamente Elettronica digitale p. 13/22

14 Porta XOR/NXOR DCVSL Condivido alcuni transistor tra PDN1 e PDN2 Elettronica digitale p. 14/22

15 Porte logiche a pass transistor Posso ridurre il numero di dispositivi richiesti per ogni porta logica con l approccio a pass transistor Utilizzo come ingressi sia il gate che il source/drain In uscita posso aggiungere un buffer per migliorare le prestazioni Elettronica digitale p. 15/22

16 Porta AND a pass transistor Il transistor col gate abèessenziale per avere sempre una tensione d uscita ben definita Elettronica digitale p. 16/22

17 Pass transistor a soli nmos Il transistor nmos passa un 1 debole Il pmos del buffer potrebbe non spegnersi del tutto causando un consumo statico di potenza Non posso collegare l uscita di una rete di pass transistor al gate di un altro switch nmos Elettronica digitale p. 17/22

18 Transmission gate 1/2 Utilizzo una combinazione di nmos e pmos per avere uno switch migliore che passa 0 e 1 forti Elettronica digitale p. 18/22

19 Transmission gate 2/2 La resistenza equivalente del transmission gate è approx indipendente dalla tensione d uscita Lo switch è controllato solo dalla tensione al gate Elettronica digitale p. 19/22

20 MUX con transmission gate Posso realizzare un multiplexer in modo molto semplice Elettronica digitale p. 20/22

21 Tempo di propagazione Modello di Elmore: t p =0.69 n n(n+1) CR eq k =0.69CR eq k 2 Occorre evitare lunghe catene di transmission gate Elettronica digitale p. 21/22

22 Logica pass transistor differenziale Sfrutto i segnali complementari per progettare delle porte logiche complesse in modo modulare Elettronica digitale p. 22/22