PORTAS CMOS. Marco A. Zanata Alves PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 1

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Amélia Palmeira Miranda
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1 PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES PORTAS CMOS Marco A. Zanata Alves PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 1

2 MOSFET O MOSFET é composto de um material semicondutor no Source e Drain. Se o source/drain for de material tipo N, ele é chamado de nmos Caso seja feito de material tipo P, ele se chamará pmos O MOSFET possui quatro terminais: Dreno (Drain), Fonte (Source), Porta (Gate), Substrato (Body) Source Gate Drain N Body P N PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 2

3 MOSFET G=0V S metal isolante D 0V N P Não há corrente elétrica entre S D N PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 3

4 MOSFET G=0V S metal isolante D 0V N P Ao aplicar uma corrente no terminal Gate, um campo magnético é gerado. Esse campo magnético atrai ou repele os elétrons da camada de valência do semicondutor, ou seja, as partículas que carregam carga elétrica na região entre os terminais Source e Drain. N PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 4

5 MOSFET G=5V S metal isolante D 0V N P N Canal negativo se forma PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 5

6 S MOSFET metal isolante G=5V Corrente elétrica D 0V N P N PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 6

7 SIMBOLOGIA DE CMOS nmos G=1 S=D Chave fechada pmos G=0 S=D Chave fechada PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 7

8 REDES DE ACIONAMENTO CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 8

9 TRANSISTORES Estes transistores se comportam como chaves e quando o terminal g (gate) está ligado ao nível lógico adequado Transistor P O circulo no gate do transistor tipo P indica que é o nível lógico 0 que permite o fluxo de corrente entre os terminais fonte e dreno Estes transistores transmitem bem sinal de nível 1. Transistor N No transistor tipo N é o nível lógico 1 que permite o fluxo de corrente entre os terminais fonte e dreno. Estes transistores transmitem bem sinal de nível 0. PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 9

10 REDES DE ACIONAMENTO Devido aos estados indefinidos, os circuitos costumam utilizar duas redes, uma que puxa para cima (para 1, pull-up) e outra rede que puxa o sinal para baixo (0, pull-down). A rede pull-up, vai controlar a ligação ao VDD Essa rede é composta apenas por transistores do tipo P. A rede pull-down, irá controlar a ligação com o GND Essa rede é composta apenas por transistores do tipo N. Dessa forma, espera-se garantir que a saída sempre estará em nível lógico 0 ou 1. PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 10

11 RECEITA PARA GERAR PORTAS CMOS 1. Planeje a rede pull-down que faça o que você quer: Ex. F = A + B C Pull-down F = A (B + C) (Determine a combinação de entradas que irá gerar saída baixa) A B C GND PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 11

12 RECEITA PARA GERAR PORTAS CMOS 1. Planeje a rede pull-down que faça o que você quer: Ex. F = A + B C Pull-down F = A (B + C) A VDD B C (Determine a combinação de entradas que irá gerar saída baixa) A 2. Caminhe pela hierarquia substituindo nfets por pfets, redes em série por redes paralelas, redes paralelas por redes em série.. B GND C PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 12

13 RECEITA PARA GERAR PORTAS CMOS 1. Planeje a rede pull-down que faça o que você quer: Ex. F = A + B C A VDD B Pull-down F = A (B + C) (Determine a combinação de entradas que irá gerar saída baixa) 2. Caminhe pela hierarquia substituindo nfets por pfets, redes em série por redes paralelas, redes paralelas por redes em série. B A C C 3. Combine a rede nfet de pull-down (passo 1) com a rede de pfet de pullup (passo 2) para formar uma porta CMOS totalmente complementar. GND PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 13

14 PORTAS CMOS SÃO NATURALMENTE INVERSORAS Em portas CMOS, subida de entradas (0 1) levam a descida de saídas (1 0) nfets vão de OFF para ON Caminhos pulldown conectados Saída será conectada com o terra (GND) pfets vão de ON para OFF Caminhos pullup desconectados Saída será desconectada do VDD. Corolário: não é possível construir lógica positiva (1 1 1) (ex. AND) com portas CMOS. A B S PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 14

15 CONVERTENDO LÓGICA PARA CMOS Os elementos básicos da lógica CMOS são as portas NOT, NAND, NOR Cada porta AND e OR que queremos usar devem ser convertidas nas três básicas de CMOS Duas propriedades da álgebra booleana são muito importantes aqui: Involução: X = X Lei De Morgan: (X + Y) = X Y (X Y) = X + Y Ex. F=A+BC PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 15

16 CONVERTENDO LÓGICA PARA CMOS Cuidado! Não podemos ligar um transistor diretamente para ativar outro transistor Lembre-se, o GATE do transistor irá agir como um capacitor. Isso quer dizer, que precisamos fornecer um caminho para que o GATE possa ser descarregado A gnd VDD B C Para circuitos mais complexos, devemos desmembrar em portas lógicas básicas (NOT, NOR, NAND) e então conecta-las PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 16

17 PORTAS CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 17

18 INVERSORES CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 18

19 CUSTO DE UM CMOS Custo para um processo (antigo) 45nm. $3500 por cada waffer 300mm 300mm de um waffer circular =.07m bilhões de FETs 2.6e 10 Portas NAND/waffer Custo marginal de uma porta NAND: 132n$ PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 19

20 INVERSORES CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 20

21 NOR EM CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 21

22 NAND EM CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 22

23 NAND DE 3 ENTRADAS EM CMOS Como fazer uma NAND de 3 entradas invés de 2 apenas? PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 23

24 NAND DE 3 ENTRADAS EM CMOS PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 24

25 REDES DE ACIONAMENTO O que acontece se as duas redes estão ligadas? O que acontece se as duas redes estão deligadas? PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 25

26 REDES DE ACIONAMENTO O que acontece se as duas redes estão ligadas? Curto circuito O que acontece se as duas redes estão deligadas? Novo estado! PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 26

27 THREE STATE PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 27

28 TERCEIRO ESTADO Podemos projetar circuitos com um terceiro estado, diferente dos estados 0 e 1. No terceiro estado (Z) a saída do circuito fica desligada dos resto do circuito. Circuitos com três estados são chamados de three-state (tri-state) Diz-se que um sinal ligado a uma saída three-state está flutuando se não há um circuito que puxe o nível lógico neste sinal para 0 ou 1 PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 28

29 LIGAÇÃO DE SAÍDAS THREE-STATE Circuitos three-state são usadas para a ligação de várias saídas a um mesmo fio, formando um barramento Como fazer um mux com buffer tri-state? PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 29

30 PORTAS DE TRANSMISSÃO PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 30

31 PORTAS DE TRANSMISSÃO Transistor P Estes transistores transmitem bem sinal de nível 1. Transistor N Estes transistores transmitem bem sinal de nível 0. Considerando que podemos querer transmitir um sinal dependendo apenas de uma chave, como fazer uma porta de transmissão? PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 31

32 PORTAS DE TRANSMISSÃO Adequado para transmitir R S S R Para fazer uma porta de transmissão, devemos usar 2 transistores 1 tipo P e 1 tipo N, e também sinais adequados PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 32

33 MULTIPLEXADOR COM PORTAS DE TRANSMISSÃO PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 33

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