Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche CMOS

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Natalia Leoni
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1 Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, rema liberali@dti.unimi.it liberali Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 1 Inverter MOS MP + MN MN e MP sono in serie, perché sono attraversati dalla stessa corrente I D. La corrente di drain I D è l unica corrente nei transistori MOS la corrente statica di gate è nulla). La potenza statica dissipata è: P= I D. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 2 1

1 Inverter MOS MP + MN MN e MP sono in serie, perché sono attraversati dalla stessa corrente I D.

2 Funzionamento dell inverter MOS MP + MN bassa < V th,n ): MN spento; MP acceso in triodo con I D = 0. MP ha v DS = 0, e =. alta > + V th,p ): MP spento; MN acceso in triodo con I D = 0. MN ha v DS = 0, e = 0. Potenza dissipata statica): P= I D = 0. Il principale vantaggio dei circuiti integrati MOS è il funzionamento in stand-by per i dispositivi alimentati a batteria. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 3 aratteristica statica 2.5V 2.0V 1.0V 0V 0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V VM1:d) V_Vin Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 4 2

Il principale vantaggio dei circuiti integrati MOS è il funzionamento in stand-by per i dispositivi alimentati a batteria.

3 Modello semplificato dei transistori MOS NMOS = 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 e R p tengono conto della resistenza del canale quando i transistori MOS sono accesi. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 5 Pull-up e pull-down PULL- UP MP PULL- DOWN MN PULL-UP: la parte che pilota l uscita al livello logico alto 1 ) PULL-DOWN: la parte che pilota l uscita al livello logico basso 0 ) Solamente uno dei due tra pull-up e pull-down è attivo BASSA DISSIPAZIONE DI POTENZA STATIA Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 6 3

Le resistenze e R p tengono conto della resistenza del canale quando i transistori MOS sono accesi. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p.

4 Energia dissipata in commutazione 1/9) X Y Z Inv1 Inv2 In un circuito digitale, ogni porta logica ha un carico capacitivo costituito dalle capacità di ingresso delle porte che essa deve pilotare. Esempio: Il carico capacitivo dell inverter Inv1 è dato dalla somma delle capacità presenti sul nodo Y: capacità di gate dei transistori della porta Inv2 capacità parassite dell uscita di Inv1 giunzione drain-bulk) capacità parassite delle interconnessioni Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 7 Energia dissipata in commutazione 2/9) M 2 M 1 Se passa da 0 a, allora passa da a 0. La capacità di carico ha un energia immagazzinata che passa dal valore iniziale E= 2 1V2 DD al valore finale 0 dissipazione dovuta alla conduzione di M 1 ). Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 8 4

giunzione drain-bulk) capacità parassite delle interconnessioni Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p.

5 Energia dissipata in commutazione 3/9) + R p passa da a 0; il transistore MOS a canale P è spento e la corrente scorre attraverso la resistenza di canale del transistore MOS a canale N ). Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 9 Energia dissipata in commutazione 4/9) La potenza istantanea dissipata dalla resistenza è: pt)= t)i n t)= i n t)) 2 Applicando la KVL alla maglia con e, si ha l equazione differenziale: t) con la condizione iniziale: + dt) dt 0)= = 0 La soluzione del problema di auchy è: t)= exp t ) Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 10 5

9 Energia dissipata in commutazione 4/9) La potenza istantanea dissipata dalla resistenza è: pt)= t)i n t)= i n t)) 2 Applicando la KVL alla maglia

6 Energia dissipata in commutazione 5/9) Quindi la corrente è: i n t)= exp t ) e la potenza istantanea dissipata risulta: pt)= VDD exp t )) 2 = V2 DD exp 2t ) L energia totale dissipata dalla resistenza durante la commutazione dell uscita dal livello logico 1 al livello logico 0 si calcola integrando la potenza pt) da t=0 a t : E 1 0 = 0 pt) dt Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 11 Energia dissipata in commutazione 6/9) Il calcolo dell integrale dà l energia dissipata: E 1 0 = VDD 2 0 = V2 DD = V2 DD = 1 2 V2 DD [ exp 2t ) dt 2t 2 exp R ) n 2 0 1) )] che è indipendente da e vale anche nel caso in cui la resistenza non è lineare, come accade per il transistore MOS in triodo). 0 Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 12 6

7 Energia dissipata in commutazione 7/9) M 2 M 1 Se passa da a 0, allora passa da 0 a. L energia immagazzinata nella capacità passa da 0 a E= 1 2 V2 DD, ma dall alimentazione viene prelevata una quantità di energia doppia l energia dissipata per la conduzione di M 2 è E= 1 2 V2 DD ). Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 13 Energia dissipata in commutazione 8/9) + R p passa da 0 a ; il transistore MOS a canale N è spento e la corrente scorre attraverso la resistenza di canale del transistore MOS a canale P R p ). Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 14 7

dissipata per la conduzione di M 2 è E= 1 2 V2 DD ). Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p.

8 Energia dissipata in commutazione 9/9) L energia dissipata dalla resistenza R p nel transitorio in cui l uscita passa da 0 a 1 si calcola in modo analogo e ha lo stesso valore dell energia dissipata nel transistorio in cui l uscita passa da 1 a 0: E 0 1 = 1 2 V2 DD Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 15 Potenza dinamica dissipata 1/3) M 2 M 1 Se una porta logica esegue due commutazioni in un periodo T, allora l energia totale dissipata è E= V2 DD = V2 DD. La potenza media è: P= E T = V2 DD T = fv 2 DD dove f= 1/T è la frequenza. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 16 8

9 Potenza dinamica dissipata 2/3) L espressione della potenza dinamica nelle porte logiche MOS P= fv 2 DD spiega perché negli ultimi anni è stata ridotta la tensione di alimentazione nei microprocessori, in modo da aumentare la frequenza di clock f senza che la potenza dissipata P aumenti troppo. La riduzione delle dimensioni comporta una riduzione di tutte le capacità, e quindi della potenza dissipata. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 17 Potenza dinamica dissipata 3/3) Gli elementi resistivi dissipano energia sotto forma di calore, che fa aumentare la temperatura interna. Per evitare che la temperatura raggiunga valori troppo elevati, che potrebbero danneggiare irreparabilmente i circuiti, spesso si usano particolari tipi di package dotati di dissipatori di calore di solito con alette che aumentano la superficie a contatto con l aria), e sistemi di ventilazione forzata. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p. 18 9

La riduzione delle dimensioni comporta una riduzione di tutte le capacità, e quindi della potenza dissipata. Elettronica I Potenza dissipata dalle porte logiche MOS p.

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