Aplicaciones con transistor MOSFET

Transcripción

1 Aplicaciones con transistor MOSFET Lección 04.2 Ing. Jorge Castro-Godínez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 1 / 42

2 Contenido Inversor lógico digital CMOS 1 Inversor lógico digital CMOS 2 3 Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 2 / 42

3 Ejemplo (1) Los transistores NMOS y PMOS del circuito son diseñados de manera que k n(w n /L n ) = k p(w p /L p ) = 1 ma V 2 Ambos transistores presentan además V T Hn = V T Hp = 1 V. Encuentre las corrientes i DN y i DP, así como la tensión v O, si v I = 0 V, 2,5 V y -2,5 V. Considere λ = 0. Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 3 / 42

4 Tecnología CMOS Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 4 / 42

5 Características (1) Cuál es la función del inversor? Valores lógicos: 0 y 1 Cómo lograr que i DP = i DN? Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 5 / 42

6 Inversor básico (1) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 6 / 42

7 Inversor básico (2) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 7 / 42

8 Inversor básico (3) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 8 / 42

9 Características (2) La disipación de potencia del circuito es pequeña en ambos estados extremos (esto es afectado por el escalamiento). Resistencia entre la terminal de salida y tierra: r DSN = [ ( ) ] W 1 k n (V DD V T Hn ) L n Resistencia entre la terminal de salida y V DD : r DSP = [ k p ( ) ] 1 W (V DD V T Hp ) L p Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 9 / 42

10 Curva de Transferencia de Tensión (1) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 10 / 42

11 Operación dinámica (1) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 11 / 42

12 Operación dinámica (2) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 12 / 42

13 Operación dinámica (3) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 13 / 42

14 Retardo de propagación Retardo de propagación para el inversor básico. Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 14 / 42

15 Transistor MOSFET como interruptor Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 15 / 42

16 (1) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 16 / 42

17 (2) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 17 / 42

18 (3) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 18 / 42

19 Representación alternativa Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 19 / 42

20 Compuerta NOR Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 20 / 42

21 Compuerta NAND Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 21 / 42

22 Compuerta compleja Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 22 / 42

23 Dimensión de los transistores (1) Una vez que se genera una compuerta CMOS, se debe decidir las relaciones W/L para todos los transistores del diseño. Seleccíıon de W/L debe proporcionar a la compuerta la capacidad de exitación de corriente en ambas direcciones igual a la del inversor básico. (W/L) n = n y (W/L) p = p p = (µ n /µ p )n Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 23 / 42

24 Dimensión de los transistores (2) Se eligen las relaciones W/L individuales para todos los transistores en una compuerta lógica de modo que PDN deberá ser capaz de proporcionar una corriente de descarga de capacitor por lo menos igual a la de un transistor NMOS con W/L = n y la PUN deberá ser capaz de proporcionar una corriente de carga por lo menos igual a la de un transistor PMOS con W/L = p Retardo de compuerta, caso más desfavorable, igual a la del inversor básico. Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 24 / 42

25 Dimensión de los transistores (3) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 25 / 42

26 Dimensión de los transistores (4) Combinaciones de entrada que produzcan la corriente de salida más baja y luego elegir los tamaños que harán que esta corriente sea igual a la del inversor básico. Relación de W/L equivalente. Se basa en el hecho de que la resistencia de encendido de un MOSFET es inversamente proporcional a W/L Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 26 / 42

27 Dimensión de los transistores (5) R series = r DS1 + r DS2 + cte = + cte + (W/L) 1 (W/L) 2 [ ] 1 1 = cte + + (W/L) 1 (W/L) 2 cte = (W/L) eq Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 27 / 42

28 Dimensión de los transistores (6) Transistores conectados en serie: 1 (W/L) eq = 1 (W/L) (W/L) 2 + Transistores conectados en paralelo: (W/L) eq = (W/L) 1 + (W/L) 2 + Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 28 / 42

29 Dimensión de los transistores (7) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 29 / 42

30 Dimensión de los transistores (8) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 30 / 42

31 Ejemplo: dimensionamiento Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 31 / 42

32 Latch o cerrojo Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 32 / 42

33 Flip-Flop SR (1) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 33 / 42

34 Flip-Flop SR (2) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 34 / 42

35 Flip-Flop SR (3) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 35 / 42

36 Clasificación de Memorias Basadas en transistores MOSFET para lograr alta densidad Memorias semiconductoras No volátiles Volátiles Programadas por máscara (ROM) ROM Programable (PROM) ROM Borrable (EPROM) ROM Eléctricamente borrable (EEPROM) De Acceso Aleatorio (RAM) RAM estática (SRAM) RAM dinámica (DRAM) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 36 / 42

37 SRAM Inversor lógico digital CMOS Las memorias RAM son volátiles = pierden los datos al remover la alimentación SRAM: Static Random Access Memory Cada celda almacena un bit, se requieren 6 transistores por bit Celda SRAM: cerrojo Dos inversores mutuamente acoplados Dos transistores de acceso al cerrojo Transistores de línea de palabra conectan el cerrojo con los circuitos de lectura y escritura Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 37 / 42

38 Celda SRAM Inversor lógico digital CMOS Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 38 / 42

39 Arreglo de memoria 2 M+N Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 39 / 42

40 DRAM Inversor lógico digital CMOS DRAM: Dynamic Random Access Memory Dato se guarda en un capacitor de almacenamiento: capacitor cargado = 1, descargado = 0 El transistor de línea de palabra connecta el capacitor de almacenamiento con el circuito de lectura/escritura Corriente de fuga descarga capacitor dato debe reescribirse periódicamente= refrescamiento de datos Wordline Bitline Celda de memoria DRAM M ACC C S C BL V P Capacitancia de almacenamiento Capacitancia de columna (Bitline capacitance) Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 40 / 42

41 Celda DRAM Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 41 / 42

42 Referencias Bibliográficas I A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill, 5ta edición, Jorge Castro-Godínez Aplicaciones con transistor MOSFET 42 / 42