Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CMOS: conceptes bàsics
Rosa M. BadiaRamon Canal
DMTardor 2004
DM, Tardor 2004 1
MOS: Metal Over SiliconMOS: Metal Over Silicon• Objectius:• Objectius:
– Conèixer com es dissenyen diferents tipus d’ t t lò i itj t l’ tilit iód’estructures lògiques mitjançant l’utilització de tecnologia MOS
• El contingut del tema se centra en:– Comportament lògic del transistor MOSComportament lògic del transistor MOS– Introducció a les estructures lògiques
combinacionalscombinacionals– Conceptes bàsics sobre el transistor MOS
DM, Tardor 2004 2
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Comportament ideal: interruptor digital• Comportament ideal: interruptor digital
DDrenajeDrenador
PPuerta
NMOSAcumulación
D F
P = 0
D F
P = 1
Gate
FFuente
D F D FGate
D
PPMOSAcumulación
P = 1 P = 0
F
AcumulaciónD F D F
DM, Tardor 2004 3
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS
Input Output
D
1 (VDD) 1 (VDD) 1 (VDD)
Input Output
P
FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0
D
P
FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0
F
0 (GND) 0 (GND) 0 (GND)
DM, Tardor 2004 4
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie nMOS:• Combinació serie nMOS:
– Output = 0 si S1=1 i S2=1
D
P S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1
Output
D
P
F
S1 S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1
D
PS2
S2= 0 S2= 0 S2= 1 S2= 1
F
DM, Tardor 2004 5
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie pMOS:• Combinació serie pMOS:
– Output = 1 si S1=0 i S2=0
D
PS1 S1= 1 S1= 0 S1= 1 S1= 0
D
F
S1
P
F
S2S2= 1 S2= 1 S2= 0 S2= 0
FOutput
DM, Tardor 2004 6
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela nMOS:• Combinació paral lela nMOS:
– Output = 0 si S1=1 o S2=1
S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output
D
P
D
PS1 S2
S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output
P
F
P
F
S1 S2
S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0 S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0
DM, Tardor 2004 7
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela pMOS:• Combinació paral lela pMOS:
– Output = 1 si S1=0 o S2=0
S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0
D
P
D
PS1 S2
S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0
FF
S1 S2
S2= 0S1= 0S1= 0 S2= 1
DM, Tardor 2004 8
Complementary CMOSComplementary CMOS• Complementary CMOS logic gates• Complementary CMOS logic gates
– nMOS pull-down networkpMOSpull-up
– pMOS pull-up network– a.k.a. static CMOS
pull-upnetwork
outputinputs
nMOSpull-downnetwork
Pull-up OFF Pull-up ONPull-down OFF Z (float) 1
Pull-down ON 0 X (crowbar)
DM, Tardor 2004 9
Portes CMOSPortes CMOS• Porta NAND• Porta NAND
VDD
Pull−up
0 1AOUT
(A+B)
Pull−up
out
1
0
B
1 1
1 0
(A · B)
Pull−down
GNDBA
DM, Tardor 2004 10
Portes CMOSPortes CMOS• Porta NOR• Porta NOR
VDD
(A · B) 0
0
1AOUT
Pull−up 01
out1
0
B
0 0
01
(A+B)
GND
BAPull−down
DM, Tardor 2004 11
Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes• Portes complexes
VDD
D + (A · B · C)
B
A
D
OUT
1
AB00 01 11 10
00 1 1 1
D + (A · B · C)
outC
0
00
01
11CD
1 0 0
0 0 0 0
D10 1 1 1 1
GND
BA C D ·(A+B+C)
DM, Tardor 2004 12
Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes:• Portes complexes:
– L’expressió de la funció ha de ser una ió l t dexpressió complementada
– Operador “”:• Pull-down: Transistors nMOS en sèrie• Pull-up: Transistors pMOS en paral·lel
– Operador “+”:• Pull-down: Transistors nMOS en paral·lelp• Pull-up: Transistors pMOS en sèrie
DM, Tardor 2004 13
Tipus de transistorsTipus de transistors• Transistors de tipus MOS: nMOS i pMOSp p• Transistors nMOS: acumulació y buidament• Transistors bipolars: NPN, PNPp ,• Operació (interruptor electrònic):
– MOS: controlat per tensió (interruptor ideal)– Bipolar: controlat por corrent (interruptor +
amplificador)DDrenaje D D CColector
DrenadorD
PPuerta
Drenaje D
P
D
P
C
B
Base
Colector
Gate
NMOSInterruptor
FFuente
AcumulaciónNMOS
F
DeplexiónPMOS
F
AcumulaciónNPN
E
Bipolar
Emisor
Gate
DM, Tardor 2004 14
Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real
1 (VDD)
Input Output
5v (VDD)
D
P
D
P
D
FInput Output
D
FInput OutputR
C
R
C
P
F
P
FVISION IDEAL VISION REAL
F F
0 (GND) 0v (GND)
DM, Tardor 2004 15
Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real• Exemple: relació input/output d’un inversor• Exemple: relació input/output d un inversor
CMOS
DM, Tardor 2004 16
Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:
– nMOS acumulació: Vpf > Vt > 0– nMOS buidament: 0> Vpf > Vt
D
VDD
D
VDD
V > V
I
F
P I
F
P
tpf
df df
pfV > V td
GNDNMOSAcumulación
GNDNMOSDeplexión
DM, Tardor 2004 17
Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:
– VDD- Vt > Vpf
D
VDD
C
VDD
D
IP df I
C
B ce
V < V − VDD t
FV > 0.7v
E
I bebepf
PMOS
GND
AcumulaciónNPNBipolar
GND
DM, Tardor 2004 19
Implementació tecnològicaImplementació tecnològica
DM, Tardor 2004 20
Implementació tecnològicaImplementació tecnològica
PD F PD F CBE
P−well N−well
N+ P+ N+ P+ N+P+N+
P−well N−well
NMOS PMOS NPN (bipolar)NMOS PMOS NPN (bipolar)
DM, Tardor 2004 21
Comparació entre diferents tecnologiesComparació entre diferents tecnologies
Característica nMOS pMOS NPN
Resistencia d’entrada Alta Alta BaixaResistencia d entrada Alta Alta Baixa
Resistencia de sortida Baixa Baixa baixa
Movilitat Alta Baixa (1/2) alta
Ni ll i t ió Alt Alt MitjàNivell integració Alt Alt Mitjà
Consum estàtic Baix Baix alt
Consum dinàmic Mitjà Mitjà alt
DM, Tardor 2004 22
Comportament dinàmicComportament dinàmic• El funcionament del transistor nMOS es basa en la
creació d’un canal entre drenador i la font• El canal es construeix degut a un potencial positiu a la
t t d l b t t t l l tporta respecte del substrat, que atrau als electrons lliures al substrat, acumulant-los en el canal.
• Hi ha tres regions d’operació:Hi ha tres regions d operació:– Zona de tall (Cut-off): En aquesta zona no hi ha creació de
canal, Ids = 0.Z li l t d E t hi h ió d– Zona lineal o no saturada: En aquesta zona hi ha creació de canal i el corrent elèctric Ids es proporcional a la diferència de potencial entre el drenador i la font Vds.Z t d El l ’ t fi t Hi h t– Zona saturada: El canal s’estreny fins a trencar-se. Hi ha corrent elèctric Ids, però el seu valor és gairebé constant i independent de Vds
DM, Tardor 2004 23
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Tensió llindar• Tensió llindar
+DS
GVGS
+
-
n+n+
Depletionn-channel
p-substrate
pRegion
DM, Tardor 2004 24B
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona lineal• Transistor en zona lineal
SVGS VDS
++
DG
+
ID
n+n+
xL
V(x) +–
p-substrate
B
DM, Tardor 2004 25MOS transistor and its bias conditions
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona de saturació• Transistor en zona de saturació
VGS
GVDS > VGS - VT
S D
n+n+ VGS - VT+-
Canal trencatDM, Tardor 2004 26
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Zona lineal:• Zona lineal:
0insW
2
ds
L DVI V V V
2ds
ds gs t dsI V V V
• Zona saturació2 2
2ds gs tI V V
DM, Tardor 2004 27
Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS
• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic
I I dfdf
V > V − V
V = 0.6V
V = 0.7V
I
DD
DDt V > V − V V = 0.3V
V = 0.1V
I
t
DD
DDpf
pf
pf
df
df
df
pf
pf
pfdf
V = 0.4V
V = 0.5V
V = 0.6V
DD
DD V = 0.1V
V = 0
V = −0.1V
DDpf
pf
pf
pf
V = 0.2V
V = 0.4V
V
DD
DD V = −0.1V
V = −0.3V
V
DD
DDpf
pf
pf
pf
VVDD0 DD0.5V
VVDD0 DD0.5V
ds
NMOS DeplexiónNMOS Acumulación
df
DM, Tardor 2004 28
Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic
V < V
I I cedf
V < V
V = 0.2V DD
t
I = 4µA
I = 5µAbe
bepf
df
V = 0.6V
V = 0.5V
V = 0.4V
DD
DD
DD
I = 2µA
I = 3µAbe
be
pf
pf
pf
V = 0.8V
V = 0.6V
DD
DD
VVDD0 DD0.5V
I = 1µA
VDD0 DD0.5VVce
be
pf
pf
dfVDD0 DD0.5V VDD0 DD0.5V
NPN BipolarPMOS Acumulación
(Dos veces menos corriente que NMOS)
DM, Tardor 2004 29