Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas CEFET-RS. Aula 04. Inversor CMOS. Prof. Sandro Vilela da Silva.

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Mikaela Azenha Chaves
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1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas CEFET-RS Projeto Físico F Digital Aula 04 Inversor CMOS Prof. Sandro Vilela da Silva sandro@cefetrs.tche.br

2 Copyright Parte dos slides foram realizados a partir: dos slides elaborados pelo Prof. Jan Rabaey da Universidade de Berkeley, que se encontram na página p relativos ao seu livro Digital Integrated Circuits, Prentice-Hall Hall,, dos slides elaborados para a disciplina de Concepção de Circuitos Integrados da UFRGS, preparadas pelo Prof. Dr. Ricardo Reis. slide 1.2

3 Portas Lógicas Digitais Parâmetros Fundamentais Funcionalidade Área densidade de integração Robusteza, Confiabilidade (características estáticas ticas) Desempenho (características dinâmicas) Desempenho Velocidade (atraso) Consumo de Potência Energia slide 1.3

4 Inversor Ruído em Circuitos Integrados Digitais Fontes de ruído: i(t) v(t) V DD Acoplamento Indutivo Acoplamento Capacitivo Ruído de Potência e de Massa Ruído significa variação indesejada de tensão ou de corrente nos nós n s lógicosl slide 1.4

5 Inversor Operação DC: Característica de Transferência de Tensão (VTC) V(y) V(x) V(y) V OH f V(x) = V(y) V(y) = f(v(x)) V OL V IL threshold de chaveamento V M V IH V(x) V M = tensão de threshold de chaveamento OBS: Não confundir com V T que é a tensão de threshold do transistor níveis nominais de tensão slide 1.5

6 Inversor Mapeamento entre sinais analógicos e digitais 1 V OH VIH região indefinida V(y) V OH inclinação = - 1 f V M 0 V IL 0 V V OL OL V IL inclinação = - 1 V IH V(x) slide 1.6

7 Inversor Definição de Margem de Ruído 1 V OH margem de ruído alta margem de ruído baixa 0 V OL saídadaporta NM H NM L V IH entradadaporta região indefinida V IL NM L =V IL - V OL NM H =V OH - V IH slide 1.7

8 Inversor Propriedade de Regeneração cadeia de inversores V0 saída V 3 V1 f(v) V2 V3 V4 saída V5 V6 finv(v) V 1 V 1 finv(v) V 3 f(v) V 2 V 0 entrada porta com regeneração V 0 V 2 entrada porta sem regeneração slide 1.8

9 Fan-in e Fan-out Inversor Fan-out Fan-in N M.. slide 1.9

10 Inversor ideal Vout R I = R O = 0 g = - V in slide 1.10

11 Inversor Real VTC de um Inversor Real V saída (V) 5 4 V OH 3 NM L VTC de um transistor NMOS dos anos 70 NM L = V IL NM L = 0,66 NM L = 0,21 IL - V OL 0,66-0, V M NM H NM H = V OH NM H = 3,5 NM H = 1,15 OH - V IH 3,5-2,35 V OL V IL V IH V entrada (V) slide 1.11

12 Inversor: Operação Dinâmica Definição de Atrasos V in t phl = tempo de propagação 1 0 t plh = tempo de propagação % V out t phl t plh t t p = t plh + t phl 2 90% 50% 10% t f = tempo de descida t r = tempo de subida t f t r t slide 1.12

13 Oscilador em Anel Inversor: Atraso V0 V1 V2 V3 V4 V5 quantidade ímpar de inversores V0 V1 V5 fan-in mínimo fan-out mínimo carga mínima T = 2 x t p x N T = período do oscilador t slide 1.13

14 Inversor: Consumo Determina decisões de design: Tipo de encapsulamento Necessidade de cooler Dimensões das linhas de alimentação Quantidade de células em um chip slide 1.14

15 Inversor: Consumo Dissipação de Potência Potência de pico Potência dissipada Produto Potência -Atraso (Power( Power-Delay) PDP = t p x P av = Energia dissipada na operação slide 1.15

16 Inversor CMOS V Vcc E 0 1 C L S 1 0 V Terra slide 1.16

17 Inversor CMOS: Propriedades Curva de transferência de tensão (VTC) simétrica PMOS NMOS Tempo de propagação do sinal é função: - capacitância de carga - resistência dos transistores Não háh dissipação de potência estática tica Corrente de fuga Caminho de corrente direto durante o chaveamento slide 1.17

18 Inversor CMOS - VTC Curvas de Transferência de Tensão (VTC) V out NMOS off PMOS lin NMOS sat PMOS lin NMOS sat PMOS sat NMOS lin PMOS sat NMOS lin PMOS off V in slide 1.18

19 Inversor CMOS: capacitância equivalente V DD V DD V in C gd12 M2 C db2 V out C g4 M4 V out2 M1 C db1 C w C g3 M3 conexão Fanout Modelo simplificado : V in V out C L slide 1.19

20 Inversor CMOS: capacitâncias Efeito Miller V V in C gd1 V out V V out V M1 V V in M1 2C gd1 Um capacitor sofrendo variações de tensão opostas,, mas idênticas, em seus dois terminais, pode ser substituído por um capacitor conectado à massa,, cujo valor é de 2 vezes o valor original. slide 1.20

21 Inversor CMOS: capacitâncias Cálculo da Capacitância equivalente (ou total) Expressão extraído slide 1.21

22 Inversor CMOS: atraso Atraso em função dev DD t p 28 (normalizado) o aumento do atraso é crítico para V DD s próximos de V T V DD (V) slide 1.22

23 Inversor CMOS: consumo de potência Consumo Dinâmico de Potência Carga e descarga dos capacitores Correntes de Curto Circuito Curto circuito entre as linhas de alimentação durante o chaveamento Correntes de Fuga (Leakage Leakage) Através s das junções PN inversamente polarizadas slide 1.23

24 Inversor CMOS: potência dinâmica Dissipação de Potência Dinâmica V DD Energia/transição = C L. V 2 DD Potência = (energia/transi( energia/transição) ). f = C L. V DD2. f V in V out C L Não é função do tamanho dos transistores!!!! É necessário reduzir C L, V DD e f, para reduzir a potência consumida slide 1.24

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