Universidade do Algarve Faculdade de Ciências e Tecnologia GERADOR DE SEQUÊNCIA

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1 Universidade do Algarve Faculdade de Ciências e Tecnologia Eng.ª Sisemas e Informáica 004/005 Circuios Inegrados Digiais GERADOR DE SEQUÊNCIA Trabalho elaborado or: Fernando Simão nº a0598@ualg. 1/0

2 Índice: Pág. Inrodução... 3 Noa Inroduória Definição de Circuio Inegrado Hisória Década de Seena... 3, 4 Miniaurização... 4, 5 Escala de inegração e nanoecnologia... 5 Objecivos... 6 Imlemenação Tabela. 7 Maas de Karnaugh Lei de De Morgan. 8 Formulário. 9 Cálculo das Caacidades Inversor...10 BondPad. 10 NAND PDN. 11 NAND PUN NAND3 PDN NAND3 PUN. 14 Fli-Flo Temos de Proagação FF Q3 e Q FF Q FF Q , 18 Oscilador e buffer 18, 19 Circuio Final Resulado Final Conclusão. 0 Bibliografia... 0 /0

3 Inrodução Ese rojeco no âmbio da discilina de Circuios Inegrados Digiais (CID) em como objecivo o desenvolvimeno de um gerador de sequência com base na ecnologia CN0. A sua simulação será feia em PSice e o layou em LASI. Noa Inroduória Definição de Circuio inegrado Um circuio inegrado é um disosiivo microelecrónico que consise em muios ransísores e ouros comonenes inerligados caazes de desemenhar muias funções. As suas dimensões são exremamene reduzidas, os comonenes são formados em asilhas de maerial semiconduor, nomeadamene, o silício. A imorância da inegração esá no baixo cuso e alo desemenho, além do amanho reduzido dos circuios aliado à ala fiabilidade e esabilidade de funcionameno. Uma vez que os comonenes são formados ao invés de monados, a resisência mecânica deses ermiiu monagens cada vez mais robusas a choques e imacos mecânicos, ermiindo a conceção de orabilidade dos disosiivos elecrónicos. Hisória No final da década de sessena, foi consruído o rimeiro amlificador oeracional inegrado cuja função era o rocessameno de sinais analógicos. Iso nada mais era do que a monagem miniaurizada de ransísores, condensadores, resisências e díodos semiconduores numa só base, inicialmene em germânio. A monagem inicial era efecuada numa microelícula sobre um suore isolane, semelhane ao méodo de rodução de circuio imresso. Os rimeiros circuios inegrados eram basicamene redes de resisências-condensadores numa só microlaca de inerconexão. Haviam sobre as elículas, denominadas de subsrao, os semiconduores acolados. As lâminas eram naquela éoca confeccionadas com subsâncias de roriedades conduivas, resisivas e dieléricas. Basicamene eram ós de meais nobres como raa, laina e ouro, inerligadas com resinas orgânicas conduivas, que "colavam" os crisais semiconduores sobre o subsrao. Muias vezes o rocesso de inegração dos rimeiros circuios inegrados eram feios or mãos humanas de forma raicamene aresanal. Década de seena No final da década de sessena, início da década de seena, começaram os circuios inegrados em silício, elemeno de mais fácil maniulação, inegração e menos sensível aos efeios de avalanche érmica. A sua consrução assou a ocuar um esaço cada vez menor devido às novas écnicas de doagem desenvolvidas ela indúsria aeroesacial. O diâmero das asilhas começou a aingir cerca de um milímero e a sua esessura não mais que alguns cenímeros. 3/0

4 Micrografia do Circuio inegrado 555, uilizado aé hoje em emorizadores, osciladores e circuios de disaro A inegração ornou-se necessária ara aumenar a fiabilidade dos circuios que esavam a ficar cada vez mais comlexos. Com o aumeno da comlexidade, começaram a elevar os cusos dos aarelhos elecrónicos, e iso não era comaível com a aceleração das ecnologias, ois ganhava mais dinheiro quem consruísse equiamenos menores que execuassem mais arefas e fossem mais baraos. O comonene básico dos circuios inegrados é o ransísor, ese subsiuiu com vanagens as válvulas ermiónicas. Já na década de cinquena o ransísor era um comonene muio uilizado ara a amlificação de sinal e maeameno de circuios rélógicos. Na década de seena, já com vine anos de avanço ecnológico na sua miniaurização, ese já esava rono ara assar a fazer are de circuios mais comlexos. Miniaurização Devido ao avanço da elecrónica, na década de oiena foram desenvolvidas exonencialmene novas ecnologias ara doagem dos semiconduores e o fabrico em série a ala velocidade. O grande salo deu-se quando se desenvolveu a écnica de microgravidade ara urificação do semiconduor. Nese caso o silício deve esar, em esado líquido, a emerauras elevadas. Deois de crisalizado e urificado, o silício assa or um rocesso de core e olimeno, onde são removidas as suas conaminações suerficiais e imurezas. A melhora em se conseguir uma doagem mais erfeia, levou ara a écnica de confecção via mesa eiaxial, com maximização na exosição foográfica ara revelação do circuio elecrónico no microchi. A doagem dá-se quando se conrolam equenas quanidades de imurezas agregadas à mesa. O boro e o fósforo são uilizados ara se ligarem à esruura crisalina do silício, de forma a sobrar ou falar elecrões na camada de valência do elemeno doado. 4/0

5 Ese é um diagrama esquemáico hioéico de um Circuio Inegrado comoso de um ransísor NPN, um caacior e um resisor, em cima esá reresenada a Mesa Eiaxial onde o circuio foi formado, embaixo o diagrama esquemáico A esruura do crisal quando coném uma camada de silício em que a imureza é o boro, esando esa enre duas cuja imureza é o fósforo, forma o riolo rimordial. As rojecções e revelações dão-se de forma ordenada e recisa, assim a lâmina de crisal usada vai recebendo consanes doagens e re-doagns, formando camadas, sub- -camadas e regiões conduivas e isolanes conforme a necessidade ara a confecção do circuio inegrado. No circuio inegrado comleo ficam resenes os ransísores, conduores de inerligação, comonenes de olarização, e as camadas e regiões isolanes ou conduoras obedecendo ao seu rojeco de arquiecura. No rocesso de formação do chi, é fundamenal que odos os comonenes sejam imlanados nas regiões aroriadas da asilha. É necessário que o isolameno seja erfeio, quando for o caso. Iso é obido or um rocesso chamado difusão, que se dá enre os comonenes formados e as camadas com o maerial doado com fósforo, e searadas or um maerial doado com boro, e assim or diane. Aós sucessivas iner-conexões, or boro e fósforo, os comonenes formados ainda são iner-conecados exernamene or uma camada exremamene fina de alumínio, deosiada sobre a suerfície e isolada or uma camada de dióxido de silício. Escala de inegração e nanoecnologia Com comonenes de larga escala de inegração, (LSI), nos anos oiena, e a exra larga escala de inegração, (ELSI), nos anos novena, vieram os microrocessadores de ala velocidade de ecnologia MOS, que nada mais são que muios circuios inegrados numa só mesa eiaxial. Acualmene a Elecrónica esá a enrar na era da nanoecnologia. Os comonenes elecrónicos comoram-se de maneiras diferenes do que na elecrónica convencional e micro-elecrónica. Neses, a assagem de correne elécrica raicamene não alera o seu esado de funcionameno. Nos nanocomonenes, a aleração do seu esado em função da assagem de correne deve ser conrolada, ois exise uma sensibilidade maior às variações de emeraura, e rincialmene à variações dimensionais. Esas causam alerações nas medidas físicas do comonene de al forma, que odem vir a danificá-lo. Por isso a nanoecnologia é ão sensível sob o ono de visa de esabilidade de emeraura e ressão. 5/0

6 Objecivos Projecar e simular em PSice e fazer o layou na ecnologia CN0 de um gerador de sequência com as seguines esecificações: - sequência: ; - o sinal de relógio é gerado inernamene or um oscilador em anel com elo menos cinco andares; - ensão de alimenação(vdd) de 5V; - cada sinal de saída esá ligado a um bondad de dimensões 100x100 µm. O circuio será desenhado em lógica dinâmica e o objecivo fundamen al é desenhá-lo ara a maior frequência de oeração ossível. Sendo assim, o circuio deve ser rojecado minimizando o emo de roagação no ior caso ( wors case design ). Se ossível ambém se deveria er em cona a área mínima do circuio. O layou deve ser realizado uilizando células num formao sandard e deve ser hierárquico. 6/0

7 Imlemenação Dada a sequência consrói-se uma abela de verdade ara esa sequência. Seq QDn QCn QBn QAn DDn DCn DBn DAn X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Como se sabe, Qn+1=Dn, escusa-se esar a reresenar na abela a comonene Qn+1. Passa-se enão ara os maas de Karnaugh de forma a reirar da abela as exressões que irão ser uilizadas ara a monagem do gerador sequencial. D =Q Q Q +Q Q +Q Q C D C =QCQ B +QCQ B D D C B B A D D B =QCQ B +QBQ A+QDQ C D A =QDQCQ B +QBQ A+QDQ C 7/0

8 Alicando a Lei de De Morgan às exressões reiradas dos Maas de Karnaugh, simlificamo-las, de forma a só obermos NAND s ara o circuio. D D = ( QDQCQ B).( QBQ A).( QDQ C ) D C = ( QCQ B).( QCQ B ) D B = ( QCQ B).( QBQ A).( QDQ C ) D A = ( QDQCQ B).( QBQ A).( QDQ C ) Pode-se enão desenhar o circuio de forma absraca com as oras NAND, os INVERSORES e os FLIP-FLOP s. Circuio DD e DA (viso serem iguais) Circuio DC Circuio DB 8/0

9 - Aós a reresenação esquemáica do circuio, irei enão calcular as caacidades de saída e enrada de cada comonene e os emos de roagação enre andares. Aêndice de dados a uilizar Transísor nmos µ C = 45 µa/v n ox Transísor MOS µ C = 15 µa/v V = 0.9 V V = 0.9 V in C = x10 F/( µ m) jn -4 C = 1.9x10 F/( µ m) ox -3 n ox C = 3.456x10 F/( µ m) j -4 C = 1.9x10 F/( µ m) ox -3 Formulário ara cálculo de emos e roagação: I I 1 Wn = µ C L 1 W = µ C L V V CV L DD fall = I ( V ) NMOS n ox DD T ( V ) PMOS ox DD T rise NMOS CV L = I DD PMOS 1 LH = rise 1 HL = fall 1 = + LH HL 9/0

10 Cálculo das Caacidades Inversor C = C L W + C L W L jn de n j de = e10 x 7 x e x 7 x 18 = 45.5 ff µ µ µ µ BondPad A Cox 18 C= Cox = A=.3 e F / µ m x ( 100 µ m x 100µ m) = 30 ff h h Cl = Ci = 90.5 ff 30 ff N = ln = ff Como só é necessário 1 bondad, acaba or se excluir do rojeco, a sua uilização. 10/0

11 NAND PullDownNework Saída: C = C L W + C L W L jn de n j de = µ µ µ µ e10 x 7 x e x 7 x 18 = ff Enrada: -3 C = C WL= x 1.9e x 18 µ x µ = ff in ox ( ) 11/0

12 NAND PullUNework Saída: C = C L W + C L W ( ) L jn de n j de = ( ) e10 x 7 x 6 + x 3.456e x 7 x 36 µ µ µ µ = ff Enrada: -3 C = C WL= x 1.9e x 36 µ x µ = 73.6 ff in ox ( ) 1/0

13 NAND3 PullDownNework Saída: C = C L W + C L W L jn de n j de = µ µ µ µ e10 x 7 x e x 7 x 18 = 58.3 ff Enrada: -3 C = C WL= 3x 1.9e x 4 µ x µ = 73.6 ff in ox ( ) 13/0

14 NAND3 PullUNework Saída: C = C L W + 3 C L W ( ) L jn de n j de = ( ) e10 x 7 x 6 +3 x 3.456e x 7 x 36 µ µ µ µ = 49.7 ff Enrada: -3 C = C WL= 3x 1.9e x 36 µ x µ = ff in ox ( ) 14/0

15 Fli-Flo Saída: C = C L W + C L W L jn de n j de = e10 x 7 x e x 7 x 36 = 90.5 ff Enrada: C = C W L+ C W L in ox n ox µ µ µ µ = + = e x 1 µ x µ 1.9e x 36 µ x µ 18.4 ff 15/0

16 Temos de roagação: Calculando a correne que circula no circuio, verificou-se que 1 5 6µ 3 I NMOS = 4.5e ( 5 0.9) = 1.14e A µ 1 518µ 3 IPMOS = 1.5e ( ) = 1.14e A µ 3 logo, I = INMOS = IPMOS = 1.14e A É ese o valor a uilizar ara qualquer um dos dois ransísores. 1 = LH HL + e se =, enão = = LH HL LH HL basa orano, calcular qualquer um dos dois emos de roagação. 1 CV L DD = I - emo de roagação ara o Fli-Flo Q3 e consequenemene Q0 Enre inversor e NAND3 (PDN) C = C + C 3 = 45.5 f f = ff L Linv innand PDN f x 5 = = 699.3s 1.14m Enre as duas NAND3 (PDN» PUN) C = C 3 + C 3 = 58.3 f f = ff L LNAND PDN innand PUN f x 5 = = 1.08ns 1.14m Enre NAND3 e FF Maser (PUN) C = C 3 + C = 49.7 f f = 43.1 ff L LNAND PUN inff f x 5 = = s 1.14m Temo de roagação oal ara o Fli-Flo Q3 e Q0 = n =.67ns Toal 16/0

17 - emo de roagação ara o Fli-Flo Q Enre inversor e NAND (PDN) C = C + C = 45.5 f f = ff L Linv innand PDN f x 5 = = 399.3s 1.14m Enre as duas NAND (PDN» PUN) C = C + C = f f = ff L LNAND PDN innand PUN f x 5 = = s 1.14m Enre NAND e FF Maser (PUN) C = C + C = f f = ff L LNAND PUN inff f x 5 = = s 1.14m Temo de roagação oal ara o Fli-Flo Q = = 1.88ns Toal - emo de roagação ara o Fli-Flo Q1 Enre inversor e NAND (PDN) C = C + C = 45.5 f f = ff L Linv innand PDN f x 5 = = 399.3s 1.14m Enre NAND e NAND3 (PDN» PUN) C = C + C 3 = f f = ff L LNAND PDN innand PUN f x 5 = = 1.018ns 1.14m Enre NAND3 e FF Maser (PUN) C = C 3 + C = 49.7 f f = 43.1 ff L LNAND PUN inff f x 5 = = s 1.14m 17/0

18 Temo de roagação oal ara o Fli-Flo Q1 = n =.36ns Toal - Oscilador: C = C + C = 45.5 f f = ff L LInv ininv f x 5 = = s 1.14m Quanos inversores são necessários ara fazer oscilar o circuio? Ora se o emo de roagação mais leno que enho é o do Fli-Flo Q3 =.67ns, o meu oscilador em de se aroximar dese emo de roagação. Isso só é ossível colocando uma série de inversores. Para saber quanos são necessários, T = N.67ns= N s.67n N = N 7 inversores Fig Oscilador em Anel (PSice) Fig Oscilador em Anel (layou em LASI) Seguidamene, coloca-se um buffer à saída do oscilador. Esse buffer serve ara minimizar os emos de roagação e maner os níveis de ensão. 18/0

19 A arir de: C l N = ln Ci ff N = ln = ff inversores que irão consiuir o buffer Fig. 1. Buffer de inversores Circuio Final Fig. 1.3 Circuio Final 19/0

20 Resulado Final Ouu em PSice da sequência desejada Consaa-se que a arir dos 40ns, inicia-se a sequência desejada ( ). Conclusão Pode-se concluir que o oscilador roduz as sequências desejadas inicialmene. É formado or 7 inversores e à sua saída em um buffer de inversores que serve ara minimizar os emos de roagação e maner os níveis de ensão. Bibliografia - Basos, Prof. José; Aonamenos das aulas eóricas e ráicas da discilina. - h://.wikiedia.org/wiki/circuio_inegrado 0/0