Microeletrônica. Aula 22. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E.

Transcrição

1 Microeletrônica Aula 22 Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fernando.fernandes@uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello)

2 2 Inversor CMOS Revisão 1 - Ponto de chaveamento do inversor (V SP ) 2 - Curva característica de transferência de tensão Estados lógicos Definição dos pontos A e B Limites de ruido 3 - Atraso na propagação 4 - Dissipação de potencia

3 3 Trabalho 3 Inversor CMOS Revisão Esquemático, Leiaute e simulação de um inversor CMOS fabricado na tecnologia C5 (0.3 µm). Faça o projeto do esquemático e do leiaute utilizando o software Electric. O arquivo de simulação deverá ser gerado em código spice. Consulte o tutorial 3 do site cmosedu. ( Parte 1 Simulação c.c. (sch) Gráficos (V out x V in ) e (I vdd x V in ) Parte 2 Simulação c.a. (lay) Gráficos (V out e V in ) x tempo (ps) Data de entrega: 13/11 (qui)

4 4 Trabalho 3 Inversor CMOS Revisão Esquemático, Leiaute e simulação de um inversor CMOS fabricado na tecnologia C5 (0.3 µm). Faça o projeto do esquemático e do leiaute utilizando o software Electric. O arquivo de simulação deverá ser gerado em código spice. Consulte o tutorial 3 do site cmosedu: ( Parte 1 Simulação c.c. (sch) Gráficos (V out x V in ) e (I vdd x V in ) Parte 2 Simulação c.a. (lay) Gráficos (V out e V in ) x tempo (ps) Enviar arquivo compactado do trabalho (.zip) para o fernando.fernandes@uerj.br, contendo: 1. Arquivo do Electric (.jelib) 2. Dois arquivos do LTSpice (.spi) sch e lay 3. Print do esquemático e do layout do inversor e dos gráficos [V out x V in e I vdd x V in] e [(V out e V in ) x tempo] Nome do arquivo: Exemplo FernandoMF_Trab2_2018(2)_Microeletronica.zip Data de entrega: 13/11 (qui)

5 5 Trabalho 3 Inversor CMOS Revisão Esquemático, Leiaute e simulação de um inversor CMOS fabricado na tecnologia C5 (0.3 µm). Faça o projeto do esquemático e do leiaute utilizando o software Electric. O arquivo de simulação deverá ser gerado em código spice. Consulte o tutorial 3 do site cmosedu: ( Esquemático Leiaute

6 6 Trabalho 3 Inversor CMOS Parte 1 Simulação c.c. a partir do esquemático (sch) Revisão Gráficos (V out x V in ) e (I vdd x V in ) a) Simule o inversor e obtenha os gráficos V out x V in para diferentes larguras de canal no PMOS (W = 3µm, 6µm e 9µm)*. Escreva nos gráficos o ponto de chaveamento do inversor (V sp ) em cada caso. b) Obtenha o gráfico da corrente no inversor (I vdd ) pela tensão na entrada (V in ). *Modifique a largura do PMOS (diretamente no arquivo.spi) de W = 6µm (W=6U) para W = 3µm e 6µm (W=3U e W=9U) e determine os novos valores de V sp.

7 Trabalho 3 Inversor CMOS Parte 1 Simulação c.c. a partir do esquemático (sch) Gráficos (V out x V in ) e (I vdd x V in ) Revisão Vsp pmos W=3,6,9 U (.spi) vdd vdd 0 DC 5 Para W=6U (3 gráficos) vin in 0 DC 0 (1 gráfico).dc vin 0 5 1m.include /home/fernando/microeletronica/electric/c5_models.txt 7

8 8 Trabalho 3 Inversor CMOS Parte 2 Simulação c.a. a partir do leiaute (lay) Revisão Gráficos (V out e V in ) x tempo (ps) a) Obtenha o gráfico da resposta do inversor a um pulso na entrada (V in ) de 5V com duração de 200ps. Escreva no gráfico os tempos de atraso t PHL e t PLH.

9 Porta NAND CMOS Bloco de construção fundamental para a circuitos digitais Revisão * 9

10 Porta NAND CMOS Bloco de construção fundamental para a circuitos digitais Revisão A porta NAND é dita uma porta universal pois as suas combinações permitem realizar todas as operações lógicas básicas (Iversor, AND, OR): * * 10

11 Porta NAND CMOS Bloco de construção fundamental para a circuitos digitais Revisão Leiaute * 11

12 12 Ring oscillator Vimos que existe um atraso na propagação de sinal em uma porta inversora. O que acontece se ligarmos um número impar de portas inversoras em sequência e alimentarmos a saída da última na entrada da primeira?

13 13 Ring oscillator Vimos que existe um atraso na propagação de sinal em uma porta inversora. O que acontece se ligarmos um número impar de portas inversoras em sequência e alimentarmos a saída da última na entrada da primeira? Oscilador Se ligarmos um número par de inversores em sequência na saída de uma porta temos um buffer de atraso.

14 14 Ring oscillator Vimos que existe um atraso na propagação de sinal em uma porta inversora. O que acontece se ligarmos um número impar de portas inversoras em sequência e alimentarmos a saída da última na entrada da primeira? Cada inversor chaveia duas vezes durante um período de oscilação. Tempo de chaveamento de um inversor = t PHL + t PLH Frequência de oscilação Onde n é o número impar de inversoras.

15 15 Ring oscillator Vimos que existe um atraso na propagação de sinal em uma porta inversora. O que acontece se ligarmos um número impar de portas inversoras em sequência e alimentarmos a saída da última na entrada da primeira? O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo

16 16 Ring oscillator Aplicações Gerador de números aleatórios por hardware Oscilador controlado por tensão (VCO) Sintetizador de frequências (transceptores)

17 17 Ring oscillator Qual a capacitância total de inversores idênticos acoplados?

18 18 Ring oscillator Qual a capacitância total de inversores idênticos acoplados?

19 19 Ring oscillator Qual a capacitância total de inversores idênticos acoplados? Com: Desta maneira: 1 f osc = n. 0,7. (R n +R p ).C tot

20 Exemplo 20

21 Exemplo 21

22 22 Exemplo Simulação f ~1.25 GHz

23 Exemplo Simulação Processo de 50nm f ~1.25 GHz P avg = 19.6 W (apenas 1 inversor) PDP = 431x10-18 J 23

24 24 Ring oscillator O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo MOSIS WAFER ACCEPTANCE TESTS RUN: T89Y TECHNOLOGY: SCN05 FEATURE SIZE: 0.5 microns VENDOR: AMIS CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv volts Vinv volts Vol (225 ua) volts Voh (225 ua) volts Vinv volts Gain Ring Oscillator Freq. DIV256 (31-stg,5.0V) MHz D256_WIDE (31-stg,5.0V) MHz Ring Oscillator Power DIV256 (31-stg,5.0V) 0.45 uw/mhz/gate D256_WIDE (31-stg,5.0V) 0.94 uw/mhz/gate COMMENTS: SUBMICRON 1 f clk = n. 0,7. (R n +R p ).C tot *MOSIS file ami-c5/t89y-params.txt

25 25 Ring oscillator O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo MOSIS WAFER ACCEPTANCE TESTS RUN: T89Y TECHNOLOGY: SCN05 FEATURE SIZE: 0.5 microns VENDOR: AMIS CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv volts Vinv volts Vol (225 ua) volts Voh (225 ua) volts Vinv volts Gain Ring Oscillator Freq. DIV256 (31-stg,5.0V) MHz D256_WIDE (31-stg,5.0V) MHz Ring Oscillator Power DIV256 (31-stg,5.0V) 0.45 uw/mhz/gate D256_WIDE (31-stg,5.0V) 0.94 uw/mhz/gate COMMENTS: SUBMICRON 1 f clk = n. 0,7. (R n +R p ).C tot Análise da tecnologia C5 Potência dissipada no inversor P avg =0,83 μww / MHz *MOSIS file ami-c5/t89y-params.txt

26 26 Exemplo Revisão Análise da tecnologia C5 Estimativa da potência dissipada no inversor (20/2) (10/2) Dissipação de potência dinâmica /MHz P avg = 5 2 ( C ox1 +C ox2 ). VDD / MHz P avg = 5 2 ( 4,44 ff+ 8,88 ff ) =0,83 μww / MHz

27 27 Ring oscillator O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo MOSIS WAFER ACCEPTANCE TESTS RUN: T89Y TECHNOLOGY: SCN05 FEATURE SIZE: 0.5 microns VENDOR: AMIS CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv volts Vinv volts Vol (225 ua) volts Voh (225 ua) volts Vinv volts Gain Ring Oscillator Freq. DIV256 (31-stg,5.0V) MHz D256_WIDE (31-stg,5.0V) MHz Ring Oscillator Power DIV256 (31-stg,5.0V) 0.45 uw/mhz/gate D256_WIDE (31-stg,5.0V) 0.94 uw/mhz/gate COMMENTS: SUBMICRON 1 f clk = n. 0,7. (R n +R p ).C tot Análise da tecnologia C5 Estimativa da frequência de oscilação de um oscilador de 31 estágios. *MOSIS file ami-c5/t89y-params.txt

28 28 Exemplo Análise da tecnologia C5 Estimativa da frequência de oscilação de um oscilador de 31 estágios. 1 f osc = n. 0,7.(R n +R p ).C tot n= 31 R n =4,4 k %OMEGA R p =3,4 k %OMEGA C tot = 5 2 ( 4,44 ff+ 8,88 ff )

29 29 Ring oscillator O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo MOSIS WAFER ACCEPTANCE TESTS RUN: T89Y TECHNOLOGY: SCN05 FEATURE SIZE: 0.5 microns VENDOR: AMIS CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv volts Vinv volts Vol (225 ua) volts Voh (225 ua) volts Vinv volts Gain Ring Oscillator Freq. DIV256 (31-stg,5.0V) MHz D256_WIDE (31-stg,5.0V) MHz Ring Oscillator Power DIV256 (31-stg,5.0V) 0.45 uw/mhz/gate D256_WIDE (31-stg,5.0V) 0.94 uw/mhz/gate COMMENTS: SUBMICRON 1 f clk = n. 0,7. (R n +R p ).C tot Análise da tecnologia C5 f osc =177 MHz *MOSIS file ami-c5/t89y-params.txt

30 30 Exemplo Análise da tecnologia C5 Estimativa da frequência de oscilação de um oscilador de 31 estágios. 1 f osc = n. 0,7.(R n +R p ).C tot n= 31 R n =4,4 k %OMEGA R p =3,4 k %OMEGA C tot = 5 2 ( 4,44 ff+ 8,88 ff ) Dissipação de potência dinâmica f osc =177 MHz P avg =146 μww

31 31 Ring oscillator O ring oscillator é normalmente utilizado para indicar a velocidade de um processo MOSIS PARAMETRIC TEST RESULTS MOSIS WAFER ACCEPTANCE TESTS RUN: N99Y TECHNOLOGY: SCN025 FEATURE SIZE: 0.25 microns VENDOR: TSMC RUN: T92Y (MM_NON-EPI_THK-MTL) TECHNOLOGY: SCN018 FEATURE SIZE: 0.18 microns VENDOR: TSMC CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv Volts Vinv Volts Vol (100 ua) Volts Voh (100 ua) Volts Vinv Volts Gain Ring Oscillator Freq. DIV1024_T (31-stage,2.5) MHz DIV1024 (31-stage,2.5) MHz Ring Oscillator Power DIV1024_T (31-stage,2.5) 0.06 uw/mhz/g DIV1024 (31-stage,2.5) 0.06 uw/mhz/g COMMENTS: DEEP_SUBMICRON CIRCUIT PARAMETERS UNITS Inverters K Vinv volts Vinv volts Vol (100 ua) volts Voh (100 ua) volts Vinv volts Gain Ring Oscillator Freq. D1024_THK (31-stg,3.3V) MHz DIV1024 (31-stg,1.8V) MHz Ring Oscillator Power D1024_THK (31-stg,3.3V) 0.07 uw/mhz/gate DIV1024 (31-stg,1.8V) 0.02 uw/mhz/gate COMMENTS: DEEP_SUBMICRON