Tema 3. Análisis y diseño de circuitos combi .Circuitos electrónicos digitales • Un circuito

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Tema 3. Anlisis y diseo de circuitos combinacionales

Anlisis y diseo de circuitos con puertaslgicas

Mdulos combinacionales

Anlisis y diseo de circuitos con puertas lgicas

Caracterizacin de los circuitos electrnicosdigitales.

Circuitos con puertas lgicas. Anlisisfuncional y temporal. Peligros lgicos.

Implementaciones en dos niveles y multinivel(NAND/NOR).

Dispositivos programables.

Circuitos digitales Un circuito digital se puede realizar en diversas tecnologas:

mecnica, electromecnica, ptica, magntica, pero en la actualidadse utiliza la tecnologa microelectrnica (nanoelectrnica) basada endispositivos electrnicos realizados sobre materialessemiconductores, normalmente Silicio .

Ninguna otra tecnologa permite la integracin de millones dedispositivos operando conjuntamente de forma fiable en un espaciotan reducido a tan alta velocidad.

Vlvula de vaco

Rel

Circuitos digitales Los circuitos digitales basado en rels (relevadores) utilizan el

concepto de conmutador para implementar las funciones lgicas.

x "1" z y

x

y "1" z

x

NO

x

NC

"1" "1" y z

z = xy = x

z = x y

z = x + y

Circuitos electrnicos digitales Un circuito electrnico digital corresponde a un circuito formado

por circuitos electrnicos activos (transistores, diodos, etc) ypasivos (resistencias, condensadores, etc) conectado entretensin de alimentacin (Vcc Vdd) y tierra (Gnd). En lasentradas se introducen valores de tensin entre Gnd y Vcc y en lasalida se obtienen valores de tensin entre Vcc y Gnd.

Tanto en la entrada como en la salida los valores estncuantificados, de forma que en una primera aproximacin sepueden dividir en dos rangos un nivel de tensin alto L (0 lgico,entre Gnd y VL) y un nivel de tensin bajo H (1 lgico, entre VH yVcc).

Vin1

Vin2

Vin3

Vout

Vcc

Circuitos electrnicos digitales Clasificacin por tamao:

Circuitos SSI (small-scale integration): menos de 10 puertaslgicas.Circuitos MSI (medium-scale integration): 10-100 puertas lgicas.Circuitos LSI (large-scale integration): 100-1000 puertas lgicas.Circuitos VLSI (very-large-scale integration) ms de 1000 puertaslgicas. Ahora se fabrican circuitos con millones de puertaslgicas (ULSI, GLSI).

Clasificacin por tipo de tecnologa de diseo:Circuitos SSI/MSI.Dispositivos Lgicos Programables.Gate Arrays.Standard Cells.Full Custom.

CD CM

El valor previsto de Ndetermina la tecnologaa utilizar

+

+

-

-CD : Coste de diseo

CM: Coste de fabricacin

Coste por unidad CT = CM + CD/N,N: nmero de unidades fabricadas

Circuitos SSI/MSI PLDs

Circuitos electrnicos digitalesGate Arrays

Standard Cells

Full Custom

Circuito Bipolar (TTL) Circuito MOS

(CMOS)

CircuitoBiCMOS

Circuito GaAs

Circuitos electrnicos digitales.Circuitos bsicos: Puertas NAND

Circuitos MOS

El transistor MOSFET

B

D

S

G

D

S

G

Id Id

BS

G

D

S

G

DVdd

Id Id

NMOS

B

D

S

G

Cambiando N por P, y P por N B

D

S

G

PMOSEn circuitos digitales seusa un dispositivo de 3 terminales

Zona de corte: Vgs < VT, Id = 0. Zona lineal: Vgs > VT y Vds < Vgs - VT,

Id = K/2 [2(Vgs - VT) Vds - Vds2] Zona de saturacin: Vgs > VT y Vds > Vgs -VT,

Id = K/2 (Vgs - VT)2

Zona de corte: Vgs > VT, Id = 0. Zona lineal: Vgs < VT y Vds > Vgs - VTId = K/2 [2(Vgs - VT) Vds - Vds2]

Zona de saturacin: Vgs < VT y Vds < Vgs -VTId = K/2 (Vgs - VT)2

Ig 0A Ig 0A

Ig 0A Ig 0A

VT 1V

VT -1V

NMOS

PMOS

Circuitos MOS El transistor MOS

'KL

WK =

w

L

D

S

G

ox

oxnn

tCoxK

=='

Condensadores MOS

CjswPdCjAdCdb

CjswPsCjAsCsb

CoxLWCg

+

+

Cuando se reducen las dimensiones de un transistor MOS, loscircuitos funcionan mejor, ya que la intensidad se mantiene(depende de W/L), mientras que las capacidades disminuyen(dependen de reas permetros), luego el circuito es ms rpido,ya que el tiempo de propagacin es proporcional a C V/ I.La tecnologa MOS es muy adecuada para circuitos integrados.

),(2

VdsVgsFK

Id =

As, Ad : reaPs, Pd: Permetro

Circuitos CMOS Los circuitos electrnicos digitales se realizan en la actualidad en

tecnologa CMOS (con transistores NMOS y PMOS), tiene lasventajas de una alta capacidad de integracin, y en el modeloideal un consumo de potencia esttica nulo.

Los transistores MOS pueden modelarse idealmente comoconmutadores, segn el voltaje aplicado a la tensin de puerta(Gate):

D

SG

D

S

G

Id

Vin

Vout

Vdd

N1

P1 Puerta NOTSi Vin = 0V, N1 OFF, P1 ONVout = Voh = Vdd.Si Vin = Vdd, N1 ON, P1 OFFVout = Vol = 0V.

Vdd

Vout

NMOS

PMOS

Vin1

Vin2

D

S

G

Id

Ig 0A

En los transistores NMOS:Tensin baja L => Transistor OFFTensin alta H =>Transistor ONEn los transistores PMOS:Tensin baja L => Transistor ONTensin alta H =>Transistor OFF NMOS PMOS

S

D

G

Id

Ig 0A

Circuitos CMOSPuertas lgicas bsicas

BA

Vdd

Z

NOR

B

A

Vdd

Z

NAND

En la zona NMOS:transistores en serie => ANDtransistores en paralelo => OREn la zona PMOS:transistores en serie => ORtransistores en paralelo => ANDLa funcin lgica siempre es complementada

B

C

D

A

Vdd

B

C D

A

Z

Puertas lgicascomplejas CMOS

Z = A B + C D

Puerta AOIAND-OR-INVERTER

X

Circuitos CMOSPuerta NAND

NAND

B

A

Vdd

ZN1

N2

P1 P2

0

0

1

X1

0

1X

X0

1

1

X

X

1

1

0XX

A B N1 N2 P1 P2 Z

0 0 OFF OFF ON ON 1

0 1 OFF ON ON OFF 1

1 0 ON OFF OFF ON 1

1 1 ON ON OFF OFF 0

Vdd

ZN1

N2

P1 P2

Vdd

ZN1

N2

P1 P2

Vdd

ZN1

N2

P1 P2

Vdd

ZN1

N2

P1 P2

Circuitos CMOSLlaves de paso puerta de transmisin MOS

Un transistor MOS puede utilizarse como una llave de pasobidireccional, con una entrada de control que abre o cierra la llave. Lasllaves de paso NMOS ( PMOS) generan una degradacin de voltajeen la salida. Las llaves de paso CMOS no producen esta degradacin.

SD

GA

Vin Vout

A

AVin Vout

Dn Sn

Gn

Sp Dp

Gp

A

Vin Vout

Llave CMOS

Llave NMOS

SD

GVdd

Vdd Vdd - VT

Se pueden realizar circuitos en base a llaves de paso, pero teniendoen cuenta que no se produzcan ni cortocircuitos ni situaciones dedesconexin (Z, alta impedancia) no deseadas.

En llaves MOS:A a 0 V => Llave OFF, Vout desconectada (Z)A a Vdd V => Llave ON, Vout = Vin

Circuitos CMOSLlaves de paso puerta de transmisin MOS

Una posible forma de realizar un circuito con llaves es situarlasformando un estructura tipo multiplexor donde siempre hay un camino(no hay alta impedancia) y slo un camino (no hay cortocircuitos) entrelas entradas de dato (Ii) y la salida Z. El valor de la entrada Ii puede ser0 (Gnd) 1 (Vdd), o incluso otra seal lgica K K.

A

A

A

I0

I1

Z1

Z2

I0

I1

I2

I3

B

A

A

B

B

A

A

B

B

Z1 = I0 A + I1 A

Z1 = B A + B A

Z2 = 0 A B + 1 A B + 1 A B + 0 A B == A B + A B

B

B

Z2 = I0 A B + I1 A B ++ I2 A B + I3 A B

0

1

1

0

Circuitos electrnicos digitales La caracterizacin fsica de un circuito digital se da por su hoja de

caractersticas que trae datos sobre rangos de tensiones vlidos,temperatura de operacin, retrasos, potencia disipada, etc.

Parmetros de caracterizacin de los circuitos electrnicos digitales

Parmetros estticos. Curva de transferencia en tensin Vout-Vin(VTC).Voh: Valor de tensin en la salida que equivale a tensin alta H.Vol: Valor de tensin en la salida que equivale a tensin baja L.Vih: Valor de tensin ms bajo de tensin en la entrada que sereconoce como H => (Vih, Vcc) valores vlidos H en la entrada.Vil: Valor de tensin ms alto de tensin en la entrada que se reconocecomo L => (GND, Vil) valores vlidos L en la entrada.La tensin de los nudos de un circuito digital no debera nunca estar enel rango (Vil, Vih). Se considera un valor indeterminado X.

Vth ( Vm, tensin umbral): Valor de tensin para el que Vin = Vout.Permite asociar L => (GND, Vth) y H => (Vth, Vcc).

Idealmente Voh = Vcc; Vol = 0; Vih = Vil = Vcc/2; Vth = Vcc/2.

Mrgenes de ruido: deben ser positivos en un circuito digital.Margen de ruido superior: NMh = Voh Vih.Margen de ruido inferior: NMl = Vil Vol.

Parmetros estticosVcc

Vin

Vout

Vcc/20

Vcc

Vin

Vout

Vcc/20

VTC ideal

VTC real

Vol

Vil VihL HX