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Introducción a VLSI EAMTA 2006

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Introducción a VLSI

EAMTA 2006

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Introducción a VLSI

Clase 3: Lógica Combinacional y Secuencial

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3Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Programa

El Transistor MOSLayers y LayoutLógica Combinacional

Lógica Secuencial y Subsistemas

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4Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Organización

Tiempos de propagación y retardoLógica CombinacionalLógica “ratioed”Lógica dinámicaLógica estáticaPropiedades de compuertas CMOSLógica secuencial

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5Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Propagation delay

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6Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Delay definitions

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7Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Delay cause

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8Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

How to handle a big circuit

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9Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Fall time analysis

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10Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Fall time analysis

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11Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Fall time analysis

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12Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Fall time analysis

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13Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Rise time analysis

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14Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Gate delay estimation

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15Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Circuit delay estimation

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16Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Simplifying the problem

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17Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Computing Reff

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18Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS transistor, logic 0

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19Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS transistor, logic 0

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20Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS transistor, logic 1

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21Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS transistor, logic 1

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22Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

PMOS transistors

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23Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example of the process

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24Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Estimating stage delay

using Elmore Delay formula

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25Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Elmore delay method

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26Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Cascades

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27Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Cascades

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28Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Device sizing: the inverter

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29Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Device Sizing

Assuming a symmetrical inverter, the capacitance is composed of:

Cint is the self-load, associated with diffusion and gate-drain (Miller)Cext is extrinsec, load, wiring, etc.

where is the intrinsec delay (Cext=0)

What are the consequences of scaling ?

extL CCC += int

)/1()(69.0 int0int CCtCCRt extpexteqp +=+=

int0 69.0 CRt eqp =

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30Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Device Sizing

Cint scales with size ratio S, and also Req:

The delay is:

int , / ,iref eq irefC SC R R S= =

)/1(0 irefextpp SCCtt +=

• Intrinsic delay is independent of sizing and is determined by technology and layout.

• S infinitely large gives eliminates the impact of an external load • (Yet, a big enough sizing produces similar results with less Silicon area)

• A big inverter has big input capacitance and affects the previous stages !

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31Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

2 4 6 8 10 12 142

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8x 10-11

S

t p(sec

)

Device Sizing

(for fixed load)

Self-loading effect:Intrinsic capacitancesdominate

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32Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Inverter chain sizing

CL

If CL is given:- How many stages are needed to minimize the delay?- How to size the inverters?

May need some additional constraints.

InOut ( )

( ) ( )γ/1/1

~

0int ftCCCkRt

CCRDelay

pintLWp

LintW

+=+=

+

Cint = γ Cgin with γ ≈ 1

f = CL / Cgin - effective fanout

Delay is only a function of the ratio between its external load capacitance and its input capacitance

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33Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Apply to Inverter Chain

1,/ ginLN CCFf ==

CL

In Out

1 2 N

tp = tp1 + tp2 + …+ tpN

+ +

jgin

jginunitunitpj C

CCRt

,

1,1~γ

LNgin

N

i jgin

jginp

N

jjpp CC

CC

ttt =

+== +

=

+

=∑∑ 1,

1 ,

1,0

1, ,1

γ

N Ff =

Optimum: When each stage is sized by f and has same eff. fanout f:

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34Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example

CL= 8 C1

In Out

C11 f f2

283 ==f

CL/C1 has to be evenly distributed across N = 3 stages:

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35Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Buffer Design

1

1

1

1

8

64

64

64

64

4

2.8 8

16

22.6

N f tp

1 64 65

2 8 18

3 4 15

4 2.8 15.3

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36Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Lógica Combinacional

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37Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Combinational vs. Sequential Logic

Combinational Sequential

Output = f(In) Output = f(In, Previous In)

CombinationalLogicCircuit

OutInCombinational

LogicCircuit

OutIn

State

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38Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Static CMOS Circuit

At every point in time (except during the switching transients) each gate output is connected to eitherVDD or Vss via a low-resistive path.

The outputs of the gates assume at all times the value of the Boolean function, implemented by the circuit (ignoring, once again, the transient effects during switching periods).

This is in contrast to the dynamic circuit class, which relies on temporary storage of signal values on the capacitance of high impedance circuit nodes.

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39Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Static Complementary CMOS

VDD

F(In1,In2,…InN)

In1In2

InN

In1In2InN

PUN

PDN

PMOS only

NMOS only

PUN and PDN are dual logic networks…

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40Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS Transistors in Series/Parallel Connection

Transistors can be thought as a switch controlled by its gate signal

NMOS switch closes when switch control input is high

X Y

A B

Y = X if A and B

X Y

A

B Y = X if A OR B

NMOS Transistors pass a “strong” 0 but a “weak” 1

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41Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

PMOS Transistors in Series/Parallel Connection

X Y

A B

Y = X if A AND B = A + B

X Y

A

B Y = X if A OR B = AB

PMOS Transistors pass a “strong” 1 but a “weak” 0

PMOS switch closes when switch control input is low

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42Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Complementary CMOS Logic Style

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43Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example Gate: NAND

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44Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example Gate: NOR

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45Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Complex CMOS Gate

OUT = D + A • (B + C)

DA

B C

D

AB

C

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46Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Constructing a Complex Gate

C

(a) pull-down network

SN1 SN4

SN2

SN3D

FF

A

DB

C

D

F

A

B

C

(b) Deriving the pull-up networkhierarchically by identifyingsub-nets

D

A

A

B

C

VDD VDD

B

(c) complete gate

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47Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Cell Design

Standard CellsGeneral purpose logicCan be synthesizedSame height, varying width

Datapath CellsFor regular, structured designs (arithmetic)Includes some wiring in the cellFixed height and width

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48Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Standard cells

Cell boundary

N WellCell height 12 metal tracksMetal track is approx. 3λ + 3λPitch = repetitive distance between objects

Cell height is “12 pitch”

Rails ~10λ

InOut

VDD

GND

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49Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Standard cells

25 λ

50 λ

?

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50Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Standard cells

30 λ

50 λ

?

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51Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Stick Diagrams

Contains no dimensionsRepresents relative positions of transistors

In

Out

VDD

GND

Inverter

A

Out

VDD

GNDB

NAND2

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52Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Stick Diagrams

C

A B

X = C • (A + B)

B

AC

i

j

j

VDDX

X

i

GND

AB

C

PUN

PDNABC

Logic Graph

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53Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Two Versions of C • (A + B)

X

CA B A B C

X

VDD

GND

VDD

GND

Permutation of input signals that produce uninterrupted active strips is important !

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54Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Euler Paths

There is a systematic approach to uninterrupted strips of active. Two steps:Step 1: Construction of logic graphStep 2: Identification of Euler graphs

Euler path is a path through all nodes such that every edge is visited once.Euler path is equivalent to an uninterrupted A-strip (succesive S and D connections)Consistency: Same ordering for PUN and PDN

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55Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Euler Path

j

VDDX

X

i

GND

AB

C

A B C

Node

Edge = Transistor

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56Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

OAI22 Logic Graph

C

A B

X = (A+B)•(C+D)

B

A

D

VDDX

X

GND

AB

C

PUN

PDN

C

D

D

ABCD

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57Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example: x = ab+cd

GND

x

a

b c

d

VDDx

GND

x

a

b c

d

VDDx

(a) Logic graphs for (ab+cd) (b) Euler Paths a b c d

a c d

x

VDD

GND

(c) s tick diagram for ordering a b c db

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58Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Properties of CMOS gates

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59Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Static PropertiesDepend on input pattern

0V 3V

3V

0V

Vin

Vout

a) A=B=0 → 1

b) A=1, B=0 → 1 c) B=1, A=0 → 1

a) Two pull-up transistors in parallel are more difficult to turn off than oneb) One pull-up transistor, one pull-down. Dynamically, the internal node has

to be discharge (slower)c) Vds1 produces bulk effect during discharge. More Vin is needed

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60Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Switch Delay Model

A

Req

A

Rp

A

Rp

A

Rn CL

A

CL

B

Rn

A

Rp

B

Rp

A

Rn Cint

B

Rp

A

Rp

A

Rn

B

Rn CL

Cint

NAND2 INV NOR2

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61Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Input Pattern Effects on Delay

Delay is dependent on the pattern of inputsLow to high transition

both inputs go lowdelay is 0.69 Rp/2 CL

one input goes lowdelay is 0.69 Rp CL

when N transistor A goes off, internal node has to be charged

High to low transitionboth inputs go high

delay is 0.69 2Rn CL

CL

B

Rn

ARp

BRp

A

Rn Cint

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62Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Transistor Sizing

CL

B

Rn

A

Rp

B

Rp

A

Rn Cint

B

Rp

A

Rp

A

Rn

B

Rn CL

Cint

2

2

2 2

11

4

4

NAND based implementations are preferred over NOR …

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63Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Transistor Sizing a Complex CMOS Gate

OUT = D + A • (B + C)

DA

B C

D

AB

C

1

2

2 2

4

48

8

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64Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Fan-In Considerations

DCBA

D

C

B

A CL

C3

C2

C1

Distributed RC model(Elmore delay)

tpHL = 0.69 Re (C1+2C2+3C3+4CL)= Re C1+2 Re C2+3Re C3+4Re CL

* Propagation delay deteriorates rapidly as a function of fan-in –quadratically in the worst case. (prop. to R×C)

* Internal nodes important !!

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65Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

tp as a Function of Fan-In

0

250

500

750

1000

1250

2 4 6 8 10 12 14 16

tpHL

quadratic

linear

tp

tpLH

t p(p

sec)

fan-in

Gates with a fan-in greater than 4 should be avoided.

Intrinsec C increases linearly

Series transistors cause a double slowdown

Parallel transistors increase C

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66Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

tp as a Function of Fan-Out

2 4 6 8 10 12 14 16

tpNOR2

t p(p

sec)

eff. fan-out

All gates have the same drive current.

tpNAND2

tpINV

Slope is a function of “driving strength”

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67Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

tp as a Function of Fan-In and Fan-Out

Fan-in: quadratic due to increasing resistance and capacitanceFan-out: each additional fan-out gate adds two gate capacitances to CL

tp = a1FI + a2FI2 + a3FO

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68Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Ratioed Logic

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69Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Ratioed Logic

VDD

VSS

PDNIn1In2In3

F

RLLoad

VDD

VSS

In1In2In3

F

VDD

VSS

PDNIn1In2In3

FVSS

PDN

Resistive DepletionLoad

PMOSLoad

(a) resistive load (b) depletion load NMOS (c) pseudo-NMOS

VT < 0

Goal: to reduce the number of devices over complementary CMOS

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70Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Ratioed LogicVDD

VSS

PDNIn1In2In3

F

RLLoadResistive

N transistors + Load

• VOH = VDD

• VOL = RPN

RPN + RL

• Assymetrical response

• Static power consumption

• tpL= 0.69 RLCL

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71Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Active Loads

VDD

VSS

In1In2In3

F

VDD

VSS

PDNIn1In2In3

F

VSS

PDN

DepletionLoad

PMOSLoad

depletion load NMOS pseudo-NMOS

VT < 0

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72Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Pseudo-NMOS

VD D

A B C D

FC L

V O H = VDD (similar to complemen tary C M OS)

k n VD D V T n–( )V O LV O L

2

2-------------–

k p

2------ V D D V T p–( )

2=

V O L V D D V T–( ) 1 1k pk n------–– (assu m ing that V T V T n VT p )= = =

SM AL LER ARE A & L OAD B U T STA T IC P OW E R DISSIP A T IO N!!!

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73Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Pseudo-NMOS VTC

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Vin [V]

Vo u

t[V

]

W/Lp = 4

W/Lp = 2

W/Lp = 1

W/Lp = 0.25

W/Lp = 0.5

The bigger P, the faster the L to H transition, but more power and higher Vol

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74Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Performance of a P-NMOS inverter

569 ps41 µW0.0311/4

268 ps80 µW0.064½

123 ps160 µW0.1331

56 ps298 µW0.2732

14 ps564µW0.6934

TplhStatic PVolSize

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75Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Pass-Transistor Logic

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76Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Pass-Transistor LogicIn

puts Switch

Network

OutOut

A

B

B

B

• N transistors• No static consumption

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77Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Example: AND Gate

B

B

A

F = AB

0

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78Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

NMOS-Only Logic

VD D

In

Outx

0.5µm/0.25µm0.5µm/0.25µm

1.5µm/0.25µm

0 0.5 1 1.5 20.0

1.0

2.0

3.0

Time [ns]

Volta

ge[V

]

xOut

In

Tail end of transient very slow due to the small current available

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79Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Complementary Pass Transistor Logic

A

B

A

B

B B B B

A

B

A

B

F=AB

F=AB

F=A+B

F=A+B

B B

A

A

A

A

F=A⊕ΒÝ

F=A⊕ΒÝ

OR/NOR EXOR/NEXORAND/NAND

F

F

Pass-TransistorNetwork

Pass-TransistorNetwork

AABB

AABB

Inverse

(a)

(b)

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80Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Complementary Pass Transistor Logic

Complementary data inputs and outputs are always availableOutput are always connected to low-impedanceDesign is very modular. The same topology is used. Permutation of inputs is used.

Complementary signals have to be routedRestorer has to be used, otherwise static consumption

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81Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Solution: Transmission Gate

A B

C

C

A B

C

C

BCL

C = 0 V

A = 2.5 V

C = 2.5 V

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82Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Pass-Transistor Based Multiplexer

AM2

M1

B

S

S

S F

VDD

GND

VDD

In1 In2S S

S S

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83Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Transmission Gate XOR

A

B

F

B

A

B

BM1

M2

M3/M4

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84Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Resistance of Transmission Gate

Vou t

0 V

2.5 V

2. 5 VR n

R p

0.0 1.0 2.00

10

20

30

Vou t, V

Res

ista

nce,

ohm

s

R n

R p

Rn || R p

R [kΩ]

It has a series resistance that can be assumed constant, and equal to a couple of KΩ

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85Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Delay in Transmission Gate Networks

V1 Vi-1

C

2.5 2.5

0 0

Vi Vi+1

CC

2.5

0

Vn-1 Vn

CC

2.5

0

In

V1 Vi Vi+1

C

Vn-1 Vn

CC

InReqReq Req Req

CC

(a)

(b)

C

Req Req

C C

Req

C C

Req Req

C C

Req

CIn

m

(c)

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86Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Delay Optimization

mopt is typically 3 or 4 ..

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87Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Dynamic Logic

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88Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Dynamic CMOS

In static circuits at every point in time (except when switching) the output is connected to either GND or VDD via a low resistance path.

fan-in of n requires 2n (n N-type + n P-type) devices

Dynamic circuits rely on the temporary storage of signal values on the capacitance of high impedance nodes.

requires on n + 2 (n+1 N-type + 1 P-type) transistors

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89Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Dynamic Gate

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

ClkOut

CL

Out

Clk

Clk

A

BC

Mp

Me

Two phase operationPrecharge (CLK = 0)Evaluate (CLK = 1)

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90Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Dynamic Gate

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

ClkOut

CL

Out

Clk

Clk

A

BC

Mp

Me

Two phase operationPrecharge (Clk = 0)Evaluate (Clk = 1)

on

off

1off

on

((AB)+C)

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91Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Conditions on Output

Once the output of a dynamic gate is discharged, it cannot be charged again until the next precharge operation.Inputs to the gate can make at most one transition during evaluation.

Output can be in the high impedance state during and after evaluation (PDN off), state is stored on CL

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92Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Properties of Dynamic Gates

Logic function is implemented by the PDN onlynumber of transistors is N + 2 (versus 2N for static complementary CMOS)

Full swing outputs (VOL = GND and VOH = VDD)Non-ratioed - sizing of the devices does not affect the logic levelsFaster switching speeds

reduced load capacitance due to lower input capacitance (Cin)reduced load capacitance due to smaller output loading (Cout)no Isc, so all the current provided by PDN goes into discharging CL

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93Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Properties of Dynamic Gates

Overall power dissipation usually higher than static CMOSno static current path ever exists between VDD and GND (including Psc)no glitchinghigher transition probabilities due to periodic charge and dischargeextra load on Clk

PDN starts to work as soon as the input signals exceed VTn, so VM, VIH and VIL equal to VTn

low noise margin (NML)

Needs a precharge/evaluate clock

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94Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Issues in Dynamic Design: Charge Leakage

CL

Clk

ClkOut

A

Mp

Me

Leakage sources

CLK

VOut

Precharge

Evaluate

Dominant component is subthreshold current

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95Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Issues in Dynamic Design: Charge Sharing

CL

Clk

Clk

CA

CB

B=0

AOut

Mp

Me

Charge stored originally on CL is redistributed (shared) over CL and CA leading to reduced robustness

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96Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Issues in Dynamic Design: Backgate Coupling

CL1

Clk

Clk

B=0

A=0

Out1Mp

Me

Out2

CL2In

Dynamic NAND Static NAND

=1 =0

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97Escuela Argentina de Microelectrónica , Tecnología y Aplicaciones

Issues in Dynamic Design 4: Clock Feedthrough

CL

Clk

Clk

B

AOut

Mp

Me

Coupling between Out and Clk input of the prechargedevice due to the gate to drain capacitance. So voltage of Out can rise above VDD. The fast rising (and falling edges) of the clock couple to Out.