CMOS: conceptes bàsics

Transcripción

1 CMOS: conceptes bàsics Rosa M. Badia Ramon Canal M Tardor 2004 M, Tardor

2 MOS: Metal Over Silicon Objectius: Conèixer com es dissenyen diferents tipus d estructures t lògiques mitjançant t l utilització ió de tecnologia MOS El contingut del tema se centra en: Comportament lògic del transistor MOS Introducció a les estructures lògiques combinacionals Conceptes bàsics sobre el transistor MOS M, Tardor

3 Tecnologia MOS Comportament ideal: interruptor digital renador renaje = 0 = 1 NMOS Acumulación uerta Gate uente = 1 = 0 MOS Acumulación M, Tardor

4 Tecnologia MOS Inversor CMOS: Complementary MOS Input Output 1 (V) 1 (V) 1 (V) Input Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0 0 (GN) 0 (GN) 0 (GN) M, Tardor

5 Tecnologia MOS Combinació serie nmos: Output = 0 si S1=1 i S2=1 Output S1 S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1 S2 S2= 0 S2= 0 S2= 1 S2= 1 M, Tardor

6 Tecnologia MOS Combinació serie pmos: Output = 1 si S1=0 i S2=0 S1 S1= 1 S1= 0 S1= 1 S1= 0 S2 S2= 1 S2= 1 S2= 0 S2= 0 Output M, Tardor

7 Tecnologia MOS Combinació paral lela lela nmos: Output = 0 si S1=1 o S2=1 Output S1= 0 S2= 0 S1= 0 S2= 1 S1 S2 S1= 1 S2= 0 S1= 1 S2= 1 M, Tardor

8 Tecnologia MOS Combinació paral lela lela pmos: Output = 1 si S1=0 o S2=0 S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0 S1 S2 S1= 0 S2= 1 S1= 0 S2= 0 M, Tardor

9 Complementary CMOS Complementary CMOS logic gates nmos pull-down network pmos pull-up network a.k.a. static CMOS inputs pmos pull-up network output ull-up O ull-up ON ull-down O Z (float) 1 nmos pull-down network ull-down ON 0 X (crowbar) M, Tardor

10 orta NAN ortes CMOS V ull up (A+B) OUT A 0 1 out B ull down (A B) A GN B M, Tardor

11 ortes CMOS orta NOR V OUT (A B) 0 A 1 ull up B out (A+B) A ull down GN B M, Tardor

12 ortes complexes ortes CMOS V A B C + (A B C) out OUT AB C A B C (A+B+C) GN M, Tardor

13 ortes complexes: ortes CMOS L expressió de la funció ha de ser una expressió complementada Operador : ull-down: Transistors nmos en sèrie ull-up: Transistors pmos en paral lel Operador + : ull-down: Transistors nmos en paral lel ull-up: Transistors pmos en sèrie M, Tardor

14 Tipus de transistors Transistors de tipus MOS: nmos i pmos Transistors nmos: acumulació y buidament Transistors bipolars: NN, N Operació (interruptor electrònic): MOS: controlat per tensió (interruptor ideal) Bipolar: controlat por corrent (interruptor + amplificador) renador renaje Colector C uerta Gate Base B uente Emisor E Interruptor NMOS Acumulación NMOS eplexión MOS Acumulación NN Bipolar M, Tardor

15 Visió ideal vs. visió real Input Output 1 (V) 5v (V) Input Output Input R R Output C C VISION IEAL VISION REAL 0 (GN) 0v (GN) M, Tardor

16 Visió ideal vs. visió real Exemple: relació input/output d un dun inversor CMOS M, Tardor

17 Transistors de tipus nmos Intensitat renador ont (I ds ) si: nmos acumulació: V pf > V t > 0 nmos buidament: 0> V pf > V t V V I df I df V > V pf t V pf > V td GN NMOS Acumulación GN NMOS eplexión M, Tardor

18 Transistors de tipus pmos Intensitat renador ont (I ds ) si: V -V t > V pf V V C I df B I ce V < V V pf t V > 0.7v be I be E GN MOS Acumulación NN Bipolar GN M, Tardor

19 Implementació tecnològica M, Tardor

20 Implementació tecnològica E B C N+ N+ + + N+ + N+ well N well NMOS MOS NN (bipolar) M, Tardor

21 Comparació entre diferents tecnologies Característica nmos pmos NN Resistencia d entrada Alta Alta Baixa Resistencia de sortida Baixa Baixa baixa Movilitat Alta Baixa (1/2) alta Nivell integració ió Alt Alt Mitjà Consum estàtic Baix Baix alt Consum dinàmic Mitjà Mitjà alt M, Tardor

22 Comportament 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 porta respecte del substrat, t que atrau als electrons lliures al substrat, acumulant-los en el canal. Hi ha tres regions d operació: Zona de tall (Cut-off): En aquesta zona no hi ha creació de canal, I ds = 0. Zona lineal l o no saturada: En aquesta zona hi ha creació de canal i el corrent elèctric I ds es proporcional a la diferència de potencial entre el drenador i la font V ds. Zona saturada: El canal s estreny fins a trencar-se. Hi ha corrent elèctric I ds, però el seu valor és gairebé constant i independent de V ds M, Tardor

23 Comportament dinàmic Tensió llindar S - + V GS G n+ n+ n-channel p-substrate epletion Region B M, Tardor

24 Comportament dinàmic Transistor en zona lineal S V GS G V S I n + V(x) + n + L x p-substrate B MOS transistor and its bias conditions M, Tardor

25 Comportament dinàmic Transistor en zona de saturació V GS G V S > V GS - V T S n+ - + V GS - V T n+ Canal trencat M, Tardor

26 Comportament dinàmic Zona lineal: W ins 0 L I V V V ds gs t ds V 2 ds 2 Zona saturació 2 I V V 2 ds gs t M, Tardor

27 Transistors de tipus nmos Comportament dinàmic I df I df V df > V pf V t V = 0.7V V df > V pf V t V = 0.3V pf pf V pf = 0.6V V pf = 0.1V V = 0.5V pf V = 0 pf V = 0.4V pf V = 0.1V pf V = 0.2V pf V pf = 0.3V 0 0.5V V V df 0 0.5V V V ds NMOS Acumulación NMOS eplexión M, Tardor

28 Transistors de tipus pmos Comportament dinàmic I df I ce V < V df t I = 5µA be V = 0.2V pf I = 4µA be V = 0.4V pf V = 0.5V pf V = 0.6V pf V = 0.8V pf I = 3µA be I = 2µA be I = 1µA be 0 Vdf 0.5V V 0 0.5V V V ce MOS Acumulación (os veces menos corriente que NMOS) NN Bipolar M, Tardor