Microeletrônica. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E

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Ângela Ferretti Rocha
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1 Microeletrônica Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fermassa@lee.uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello) 1

2 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. 2

3 Modelos para projetos digitais Um dos pontos importantes em um circuito digital é o tempo de resposta do MOSFET. Para determinar o tempo de resposta, temos que associar ao MOSFET uma capacitância e uma resistência. Efeito Miller Considere o seguinte circuito: Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0 Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD 3

4 Modelos para projetos digitais Efeito Miller Considere o seguinte circuito: Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0 Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD A carga final fornecida é 4

5 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. 5

6 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Inicialmente o MOSFET está desligado (VGS = 0) e o dreno está em VDD. Aplicando instantaneamente uma tensão VDD na porta a corrente ID que flui inicialmente é: 6

7 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Como estimar uma resistência para este resultado? 7

8 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Como estimar uma resistência para este resultado? Inverso da inclinação da reta 8

9 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. 9

10 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 m e VDD = 5V) PMOS de canal longo (fator de escala de 1 m e VDD = 5V) mobilidade do elétron é maior que a do buraco 10

11 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente! Usamos a corrente Ion para estimar a resistência NMOS de canal curto PMOS de canal curto 11

12 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente! Usamos a corrente Ion para estimar a resistência NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V) PMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V) Equações reescritas para incluir L (quando L > ~2) 12

13 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(Cox/2) = Cox 13

14 Modelo de MOSFET digital Efeitos Capacitivos Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo Modelo melhorado 14

15 Modelo de MOSFET digital Constante de tempo Qual é a velocidade de chaveamento do MOSFET? Constante de tempo n = RnCox Canal longo: Mais lento - quadraticamente com L Independente de W Mais rápido para VDD maior Canal curto: Mais lento linearmente com L Independente de W Mais lento para VDD maior 15

16 Modelo de MOSFET digital Resumo 16

17 Tempo de transição e de atraso Relembrando 17

18 Tempo de transição e de atraso Tempo de subida - tr Tempo de subida da saída- tlh Tempo de descida- tf Tempo de descida da saída- thl Tempo de atraso low to high - tplh Tempo de atraso high to low - tphl 18

19 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! 19

20 Exemplo Descarga Carga 20

21 Exemplo Descarga Carga Canal longo Canal curto (maior resistência de canal) 21

22 Exemplo Descarga Carga 22

23 Exemplo Simulação 23

24 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? 24

25 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? Casamento da resistência de chaveamento efetiva 25

26 Trabalho 4 Par CMOS No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor NMOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura. O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm. 26

27 Trabalho 4 Par CMOS A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V) O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm. 27

28 Trabalho 4 Par CMOS A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V) O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm. Para fazer o Leiaute no Electric SETTTING λ = 90 nm MOCMOS 6 Metal Layers CMOS Rule set Deep 28

29 Trabalho 4 Par CMOS No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor NMOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura. O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm. 29

30 Trabalho 4 Par CMOS i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do PMOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V? 30

31 Trabalho 4 Par CMOS i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do PMOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V? 31

32 Trabalho 4 Par CMOS i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do PMOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V? 32

33 Trabalho 4 Par CMOS i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do PMOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V? 33

34 Trabalho 4 Par CMOS ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27 oc para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições o circuito estará operando fora da especificação. 34

35 Trabalho 4 Par CMOS No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor NMOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura. O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm. i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do PMOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V? ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27oC para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições de operação o circuito estará operando fora da especificação. 1. Enviar o arquivo LTSpice 2. Enviar síntese da análise em.pdf com: Printscreens. Valor encontrado W(PMOS) =? Explicar o valor obtido para a razão W(PMOS)/W(NMOS) e qual o modelo mais apropriado. 35

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