Microeletrônica. Germano Maioli Penello.

Transcrição

1 Microeletrônica Germano Maioli Penello Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica) Aula 18 1

2 Pauta ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO ALLAN DANILO DE LIMA BERNADIN PINQUIERE DAVID XIMENES FURTADO HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA ISADORA MOTTA SALGADO JEFERSON DA SILVA PESSOA LAIS DA PAIXAO PINTO LEONARDO SOARES FARIA PEDRO DA COSTA DI MARCO THIAGO DO NASCIMENTO OLIVEIRA VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA

3 Modelos para projetos digitais Após ver alguns detalhes da fabricação dos MOSFETs, agora veremos modelos que utilizaremos em designs digitais De uma forma simples, o MOSFET é analisado em projetos digitais como uma chave logicamente controlada. 3

4 Modelos para projetos digitais Efeito Miller Neste exemplo, a capacitância vista pela fonte de entrada e de saída é o dobro da capacitância conectada entre a entrada e a saída Usaremos este resultado para construir um modelo de MOSFET para análise digital. 4

5 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Como estimar uma resistência para este resultado? Inverso da inclinação da reta 5

6 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Modelo inicial para um MOSFET chaveando Limitação desse modelo: Consideração feita que o tempo de subida e de descida é zero. O ponto que define a chave aberta e fechada é bem definido. Usado para cálculo a mão, apresentam resultados dentro de um fator de dois do resultado obtido por simulação ou pela experiência. 6

7 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva O modelo feito aqui não inclui a redução da mobilidade observada em dispositivos submicron. Um melhor resultado é obtido através de valores medidos ou simulados: NMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm e VDD = 5V) PMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm e VDD = 5V) mobilidade elétron é maior que a do buraco 7

8 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente! Usamos a corrente I on para estimar a resistência NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V) PMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm) Equações reescritas para incluir L 8

9 Modelo de MOSFET digital Efeitos Capacitivos Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo Cox é a capacitância na região de triodo (superestimado para facilitar as contas à mão cálculo melhor é feito com simulações) Capacitância é vista como 2(C ox /2) = C ox 9

10 Modelo de MOSFET digital Efeitos Capacitivos Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo Modelo melhorado 10

11 Modelo de MOSFET digital Resumo 11

12 Tempo de transição e de atraso Relembrando 12

13 Tempo de transição e de atraso Tempo de subida - t r Tempo de descida- t f Tempo de atraso low to high - t PLH Tempo de subida da saída- t LH Tempo de descida da saída- t HL Tempo de atraso high to low - t PHL 13

14 Tempo de transição e de atraso No nosso modelo digital: Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra. Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas! 14

15 Exemplo Descarga Carga 15

16 Exemplo Descarga Carga Canal longo Canal curto 16

17 Exemplo Descarga Carga 17

18 Exemplo Simulação 18

19 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? 19

20 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? Casamento da resistência de chaveamento efetiva 20

21 MOSFET pass gate NMOS é bom para passar sinal lógico 0 NMOS não é bom para passar sinal lógico 1 21

22 MOSFET pass gate NMOS é bom para passar sinal lógico 0 NMOS não é bom para passar sinal lógico 1 22

23 MOSFET pass gate Em uma análise complementar, observamos que PMOS não é bom para passar sinal lógico 0 PMOS é bom para passar sinal lógico 1 23

24 Atraso num pass gate Capacitância na entrada Capacitância na saída Podemos estimar o atraso pela capacitância de saída: 24

25 Atraso num pass gate Exemplo: 25

26 Atraso num pass gate Valor calculado diferente do medido (simulado)! Cálculo manual fornece resultados aproximados e ajuda a indicar o local da limitação de velocidade num circuito digital, mas não fornece um resultado exato! 26

27 Transmission gate Acoplar um NMOS e um PMOS Desvantagens: Aumento de área utilizada no leiaute Dois sinais de controle 27

28 Atraso em conexão de pass gates Equação de uma linha de transmissão (aula 8) 10x NMOS (50 nm) em série t ~ delay = 74ps 28

29 Medidas Comentário sobre medidas com osciloscópios Por que usar a ponta de prova em vez de um fio simples? Ponta de prova Cabo coaxial Impedância do osciloscópio O cabo coaxial introduz uma capacitância significativa no circuito de medida. O cabo (1m) e o osciloscópio têm em conjunto uma capacitância de 110pF. Todo ponto medido sofrerá o efeito desta capacitância e da resistência do osciloscópio 29

30 Medidas Comentário sobre medidas com osciloscópios Por que usar a ponta de prova em vez de um fio simples? Ponta de prova Cabo coaxial Impedância do osciloscópio Para evitar isso, a ponta de prova tem um capacitor e um resistor acoplados (ponta de prova compensada). RC da ponta de prova é 9x a impedância do cabo em conjunto com o osciloscópio para que exista um divisor de tensão de 10:1 em toda frequência de interesse. Se, em vez de medir com a ponta de prova, tentarmos medir com um cabo ligado direto no osciloscópio, não teremos bons resultados para frequências altas 30

31 Inversor CMOS Bloco de construção fundamental para a circuitos digitais Analise o circuito quando a entrada está em estado lógico alto. Repita esta análise para a entrada em estado lógico baixo. 31

32 Inversor CMOS Bloco de construção fundamental para a circuitos digitais A dissipação de potência estática do inversor é praticamente zero! O NMOS e o PMOS podem ser projetados para ter as mesmas características O gatilho de chaveamento lógico pode ser alterado com o tamanho dos MOSFETs 32

33 Características DC Inversor CMOS Característica de transferência de tensão 33

34 Características DC Inversor CMOS Característica de transferência de tensão Pontos A e B definidos pela inclinação da reta igual a -1 V entrada < V IL estado lógico 0 na entrada V entrada > V IH estado lógico 1 na entrada V IL < V entrada < V IH não tem estado lógico definido Situação ideal V IH - V IL = 0 34

35 Inversor CMOS Características DC VTC - Característica de transferência de tensão 35

36 Inversor CMOS Características DC VTC - Característica de transferência de tensão Importante Se o sinal não varre totalmente os limites inferiores e superiores da tensão uma corrente significativa passa pelo inversor! (potência dissipada!) O mesmo fenômeno é significativo se o transistor chaveia lentamente. 36

37 Inversor CMOS Ruído Os limites de ruído indicam quão bem o inversor opera em condições ruidosas. Caso ideal: Se Caso ideal: 37

38 Inversor CMOS Ponto de chaveamento do inversor (V SP ) Os dois transistores estão na região de saturação e a mesma corrente passa por eles 38

39 Limite de ruído e VTC ideais Inversor CMOS Nesta situação idealizada, os MOSFETs nunca estão ligados em um mesmo instante Limites de ruídos iguais garante melhor performance 39

40 Exemplos Se β n /β p = 1, temos VSP = VDD/2 Desenhando MOSFETs com mesmo L Mesmo resultado eu obtivemos para fazer Num MOSFET de canal longo 40

41 Trabalho da aula passada Perdeu ponto quem incluiu erros no texto! Ex:.include/pasta - isso está errado! Você deve incluir arquivo, não pasta!.include/pasta/arquivo.txt - correto! Perdeu ponto quem escreveu em unidades de λ e não incluiu a escala!.options scale = 50 n Áquila não me enviou o trabalho? 41

42 Trabalho Refaça o exemplo 11.1 do livro texto Projetar o leiaute e o esquemático de uma porta inversora. Simular com SPICE a relação entre a tensão de saída e a de entrada como feito no exemplo acima. 42

43 Projetos Somador completo de dois bits Subtrator completo de dois bits Flip flop D edge triggered Flip flop T edge triggered Flip flop SR com saida tristate Quad 2-input MUX Ring oscillator Schmidt trigger 43