מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
מהפכים - CMOSשערי
פרופ’ יוסי שחם
לפי ההרצאות של יאן ראבאי מברקלי
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
שערים ספרתיים - עקרונות פעולה
פונקציונליות•
אמינות, יציבות•
שטח•
ביצועים•
מהירות<<
<< הספק
<< אנרגיה
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
רעש במעגלים משולבים ספרתיים
VDDv(t)
i(t)
(a) Inductive coupling (b) Capacitive coupling (c) Power and ground
noise
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
DCאפיין מעבר
V(x)
V(y)
VOH
VOL
VM
VOHVOL
fV(y)=V(x)
Switching Threshold
Nominal Voltage Levels
V(y)V(x)
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
הקשר בין אפיין המעבר לערכים הספרתיים של מהפך
"1"
"0"
VOH
VIH
VIL
VOL
UndefinedRegion
V(x)
V(y)
VOH
VOL
VIH
VIL
Slope = -1
Slope = -1
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
Noiseהגדרת שולי הרעש ( margins(
VIH
VIL
UndefinedRegion
"1"
"0"
VOH
VOL
NMH
NML
Gate Output Gate Input
Noise Margin High
Noise Margin Low
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
תכונת הרגנרציה
(a) A chain of inverters.
v0, v2, ...
v1, v3, ... v1, v3, ...
v0, v2, ...
(b) Regenerative gate
f(v)
finv(v)
finv(v)
f(v)
(c) Non-regenerative gate
v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6
...
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
Fan-in and Fan-out
N
M
(a) Fan-out N
(b) Fan-in M
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
אפיין מעבר של מהפך אמיתי
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Vin (V)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Vo
ut (V
)
VMNMH
NML
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
הגדרת השהיה
tpHL
tpLH
t
t
Vin
Vout
50%
50%
tr
10%
90%
tf
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
מתנד טבעתי
v0 v1 v2 v3 v4 v5
v0 v1 v5
T = 2 tp N
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
תרשים - CMOSמהפך
Polysilicon
InOut
Metal1
VDD
GND
PMOS
NMOS
1.2 m=2
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
מודל מתג של טרנזיסטור
Ron
|VGS| > |VT||VGS| > |VT|
|VGS|
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
מודל מתגים - CMOSמהפך
VDD VDD
VoutVout
Vin = VDD Vin = 0
Ron
Ron
VOH = VDD
VOL= 0
VM = Ronp) f(Ronn,
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
תופעת מעבר - CMOSמהפך
VDD
Vout
Vin = VDD
Ron
CL
tpHL = f(Ron.CL)
= 0.69 RonCL
t
Vout
VDD
RonCL
1
0.5
ln(0.5)
0.36
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSתכונות מהפך
תנופת מתח - מלוא הפרש המתח בין הספק החיובי •לשלילי (או קו משותף)
אפיין מעבר סימטרי•
השהיה שתלויה בקיבול ובהתנגדות של הטרנזיסטורים•
אין הפסד הספק סטטי•
מעברת זרם ישר דרך הטרנזיסטורים.•
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
PMOSקו עומס של
VDSp
IDp
VGSp=-5
VGSp=-2VDSp
IDnVin=0
Vin=3
Vout
IDnVin=0
Vin=3
Vin = VDD-VGSpIDn = - IDp
Vout = VDD-VDSp
Vout
IDnVin = VDD-VGSpIDn = - IDp
Vout = VDD-VDSp
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
PMOSעם עומס NMOSאפיין מתג
In,pVin = 5
Vin = 4
Vin = 3
Vin = 0
Vin = 1
Vin = 2
NMOSPMOS
Vin = 0
Vin = 1
Vin = 2Vin = 3
Vin = 4
Vin = 4
Vin = 5
Vin = 2Vin = 3
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSאפיין מעבר מהפך
Vout
Vin1 2 3 4 5
12
34
5
NMOS linPMOS off
NMOS satPMOS sat
NMOS offPMOS lin
NMOS satPMOS lin
NMOS linPMOS sat
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
.CMOSאפיין מעבר (סימולציה) של מהפך
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Vin (V)
0.0
2.0
4.0
Vo
ut (V
)
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
של שער) VMמתח סף למיתוג (
0.1 0.3 1.0 3.2 10.01.0
2.0
3.0
4.0
kp/kn
VM
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
עבור מהפך MOSמודל טרנזיסטור
rogmvgsvgs
+
-
S
DG
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSתופעת מעבר במהפך
VDD
Vout
Vin = VDD
Ron
CL
tpHL = f(Ron.CL)
= 0.69 RonCL
t
Vout
VDD
RonCL
1
0.5
ln(0.5)
0.36
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSהשהיה במהפך
VDD
Vout
Vin = VDD
CLIav
tpHL = CL Vswing/2
Iav
CL
kn VDD
~
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
חישובי קיבולים
VDD VDD
VinVout
M1
M2
M3
M4Cdb2
Cdb1
Cgd12
Cw
Cg4
Cg3
Vout2
Fanout
Interconnect
VoutVin
CL
SimplifiedModel
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSמהפך
Polysilicon
InOut
Metal1
VDD
GND
PMOS
NMOS
1.2 m=2
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
אפקט מילר
Vin
M1
Cgd1Vout
V
V
Vin
M1
Vout V
V
2Cgd1
“A capacitor experiencing identical but opposite voltage swings at both its terminals can be replaced by a capacitor to ground, whose value is two times the original value.”
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
השפעת זמן העלייה על ההשהיהt p
HL(n
sec
)
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
trise (nsec)10.80.60.40.20
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
VDDתלות ההשהיה ב-
0
4
8
12
16
20
24
28
2.00 4.001.00 5.003.00
Nor
mal
ized
Del
ay
VDD (V)
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
CMOSחישובי הספק בשער
• Dynamic Power Consumption
• Short Circuit Currents
• Leakage
Charging and Discharging Capacitors
Short Circuit Path between Supply Rails during Switching
Leaking diodes and transistors
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
הפסדי הספק דינמיים
Energy/transition = CL * Vdd2
Power = Energy/transition * f = CL * Vdd2 * f
Need to reduce CL, Vdd , and f to reduce power.
Vin Vout
CL
Vdd
Not a function of transistor sizes!
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
)1התקדמות הטכנולוגיה (
Minimum Feature Size
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
)2התקדמות הטכנולוגיה (
Number of components per chip
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
מודלים לתלות בטכנולוגיה
• Full Scaling (Constant Electrical Field)
• Fixed Voltage Scaling
• General Scaling
ideal model — dimensions and voltage scaletogether by the same factor S
most common model until recently —only dimensions scale, voltages remain constant
most realistic for todays situation —voltages and dimensions scale with different factors
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
Resistor-Transistor Logic
Vin
Vout
Vcc
RB
RC
Q1
Vin
Vout
SaturationCutof f
Forward-active
VCE(sat)
VCC
VB E(on) V in(eos)
VTC of nonsaturating gate
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
RTLאפיין מעבר של מהפך
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Vin
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0V
ou
t
FO=5
FO=2
FO=1
FO=0
VOH is function of fan-out
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
RTLתופעת מעבר במהפך
0.00e+00 5.00e-10 1.00e-09 1.50e-09 2.00e-09t
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0V
ou
t
tp = 290 psec !!!!
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
ECLמהפך Vcc
RC
Q1
Vc c
RC
Q2 VrefVin
Vout2Vout1
IEE
VEE
Vx
Core of gate:The differential pairor “current switch”
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
לוגיקה עם יציאה בודדת ולוגיקה דיפרנציאלית
VinVin
Vout1 Vout2
Vout1
Vout2
Vout1Vout2 Vout2Vout1
DifferentialSingle-ended
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
עם עומס ECLשער
Vcc
RC
Q1
Vc c
RC
Q2 Vre fVin
IEE
VEE
Vx
Vc cVcc
VEE
RB
Vout2Vout1
Q4Q3
VC1 VC2
Emitter-followeroutput driver
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
רשת ממתח למהפך ביפולרי
Q5
R1
R2R3
D1
D2
Vref
VCC
VEE
Issues:•Temperature variations•Device variations
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
ECLאפיין מעבר ל
VCC – VBE (on)
VCC – VBE(on) – IEERC
Vin
Vout
Vout2
Vout1
V r ef
+/– n T
Q1 saturates
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
ECLסימולציה של אפיין מעבר של
–1.5 –1.3 –1.1 –0.9 –0.7 –0.5Vin (V)
–1.30
–1.20
–1.10
–1.00
–0.90
–0.80
–0.70V
out (
V)
Vout1 Vout2
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
עם עומס בודד ECLשער
Vcc
RC
Q1Vin
IE E
VE E
Vx
Vc c
Q3
Vcc
RC
Q1
IEE
VEE
RB
VE E
Cd Cbe
Cc s
Cbc Cbc
CbeCd
CbeVout1
FAN-OUT
VC1
Cbc
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
סימולציה של זרמים בצמד דיפרנציאלי
0 0.1 0.2Time (nsec)
–1
0
1
Col
lect
or
curr
ent
(nor
mal
ized
)
10 mA 5 mA
1 mA
0.5 mA
IC1
IC2
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
ECLתופעת מעבר בשער
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
t (nsec)
–1.30
–1.10
–0.90
–0.70V
(V
olt)
Vout1V in
מבוא למעגלים משולביםCopyright UC Berkeley 2000
מהפכיםמהפכים
ECLתלות ההשהיה בזרם בשער
0 5 10 15 200
50
100
150
200
IE E (mA)
t pLH
(pse
c)