EE610 Eletrônica Digital I. 2_b_2 Chaves em circuitos lógicos

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1 EE610 Eletrônica Digital I Prof. Fabiano Fruett fabiano@dsif.fee.unicamp.br 2_b_2 Chaves em circuitos lógicos 2. Semestre de 2007 Portas de Transmissão 1 Chaves analógicas Chaves de circuitos e sistemas envolvendo sinais analógicos que são controlados por sinais digitais. Também são chamadas de: portas analógicas portas de transmissão portas lineares circuitos de seleção de tempo Portas de Transmissão 2

2 Configurações de chave : Chave série Chave paralela Chave mista Se as chaves fossem ideais, não haveria base para escolher um tipo ou outro de chave. Entretanto as chaves não são ideais. Portas de Transmissão 3 Aplicações dos circuitos de chaveamento Multiplexação Amostrador e segurador (Sample and Hold) Controle de parâmetros em circuitos: Amplificadores Integradores Filtros Portas de Transmissão 4

3 Chaves analógicas com dispositivos semicondutores Diodos, transistores bipolares, transistores de efeito de campo (JFET ou MOSFET) podem ser usados para implementar chaves analógicas. Portas de Transmissão 5 Circuitos Lógicos com transistores de passagem Funções lógicas também podem ser implementadas através da combinação em série e paralelo de chaves que são controladas por variáveis lógicas de entrada. Portas de Transmissão 6

4 Lógica por chaves Pass-Transistor Logic (PTL) Funções Boolenas implementadas através de uma rede de chaves. Geralmente são implementadas com transistores MOS (transistores de passagem). Transistores de passagem simplificam o projeto e ocupam menor área. Portas de Transmissão 7 Portas Conceituais empregando lógica por transistor de passagem Considere chaves ideais transmitindo e sendo acionadas por sinais digitais Fonte: Sedra Portas de Transmissão 8

5 Duas implementações possíveis para uma chave controlada por tensão NMOS Complementar Porta de Transmissão CMOS Portas de Transmissão 9 No projeto de circuitos PTL deve-se assegurar que todos os nós do circuito tenham a todo instante um caminho de baixa resistência para o VDD ou terra Portas de Transmissão 10

6 Operação do transistor NMOS como chave transmissão do nível alto Portas de Transmissão 11 Operação do transistor NMOS como chave transmissão do nível baixo Portas de Transmissão 12

7 Limitação da chave digital NMOS Conduz bem a lógica 0; Introduz uma queda de potencial na lógica 1. V DD V DD V t 1 pobre V DD Portas de Transmissão 13 Técnicas para restaurar o nível de tensão de saída da chave NMOS Restauração de nível através de realimentação. Redução de V t através de implantação iônica durante o processo de fabricação. Portas de Transmissão 14

8 Restaurador de nível Portas de Transmissão 15 Exercício: 2) Considere o transistor NMOS como chave, fabricado em uma tecnologia com µ n C ox =50 µa/v 2, µ p C ox =20 µa/v 2, Vt0 =1 V, γ=0.5 V 1/2, 2ΦF=0.6 V e V DD =5 V. Considere que o transistor tenha área mínima para essa tecnologia, ou seja, 4 µm/2 µm, e assuma que a capacitância total entre o nó de saída e o terra seja C=50 ff. (a) Para o caso em que v I esteja em nível alto, obtenha V OH. (b) Se a saída alimenta um inversor CMOS com (W/L) p =2.5(W/L) n =10 µm/ 2 µm, obtenha a corrente estática do inversor e sua dissipação de potência quando sua entrada for o valor encontrado am (a). Também obtenha a tensão de saída do inversor. (c) Obtenha t PLH (d) Para o caso em que v I subitamente chaveia de V DD para 0, obtenha t PHL. (e) Obtenha t P. Sugestão: Para o cálculo dos itens c, d e e, considere a excursão limitada do sinal de saída v 0. Compare os resultados obtidos com o exemplo 13.4 do Sedra. Portas de Transmissão 16

9 Chaves complementares controladas por tensão Gate Source nmos Transistor Drain Lógica 1 no gate, Fonte e Dreno conectados Source Gate pmos Transistor Drain Lógica 0 no gate, Fonte e Dreno conectados Portas de Transmissão 17 Porta de transmissão CMOS Aplicação analógica Portas de Transmissão Fig

10 Circuitos equivalentes para visualização da operação da porta de transmissão na posição fechada Portas de Transmissão Fig Portas de transmissão em circuitos PTL Aplicação digital Portas de Transmissão 20

11 Porta de transmissão CMOS em circuitos digitais NMOS é bom em passar os 0's mas limitado em passar os 1's PMOS é bom em passar os 1's mas limitado em passar os 0's Chaves eficientes usam esses dois transistores em paralelo: Control Control Control In Out In Out In Out Control Control Control Switches Transistors Transmission or "Butterfly" Gate Portas de Transmissão 21 Porta de transmissão como Chave Bom em passar 0 ou 1 Baixa potência consumida Excelentes para implementar circuitos PTL Simplificam o projeto de circuitos lógicos Maior área ocupada Maior capacitância Portas de Transmissão 22

12 Exemplos de circuitos Lógicos PTL Multiplexador dois-para-um Portas de Transmissão 23 Exemplos de circuitos Lógicos PTL Função ou-exclusivo Portas de Transmissão 24

13 Porta AND complementar com PTL Portas de Transmissão 25 Exercício 3) Desenhe um multiplexador PTL com decodificador automático de dois bits de entrada (C1 e C2). Nomeie as entradas de X1, X2, X3, X4 e a saída de Y. Exercício 4) Desenhe um circuito com lógica de transistor de passagem complementar (CPL) XNOR e XOR de três entradas A, B e C. Portas de Transmissão 26