Problema Inversor CMOS

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1 Problema nersor CMS NMS: V = ol K = 30 μa/v PMS: V = ol K = 30 μa/v A figura represena um inersor CMS em que os dois ransísores apresenam caracerísicas siméricas A ensão de alimenação ale V =5 ol ) Sabendo que as mobilidades de elecrões e buracos alem respeciamene - - μ = 450 cm V s n - - ) Deermine expressões analíicas para a caracerísica de ransferência = ( ) e e μ = 500 cm V s, e que os dois ransísores são inegrados e p consruídos na mesma ecnologia (mesma espessura do óxido, mesmo comprimeno L dos canais), qual a relação enre a largura W dos canais para que se erifique a simeria de caracerísicas arás referida? represene-a graficamene 3) Deermine as ensões V e V que delimiam a margem de ruído inferior, bem como L as que delimiam a margem de ruído superior, V e V L 4) Calcule o araso de propagação do inersor para uma carga capaciia C l = pf Nos cálculos considere a correne média de descarga de C l quando a ensão ransia insananeamene de = 0 para = V 5) Qual o alor da poência dinâmica para uma frequência de comuação f = 40 MHz para a capacidade de carga Cl dada em 4)? Como se diide essa poência pelos componenes do circuio? H H

2 Resolução ) parâmero K pode ser expresso em ermos da capacidade por unidade de área, das mobilidades μ, e da largura W e comprimeno do canal L, W K = μ Cox L Como queremos que K NMS = K PMS, e uma ez que só μ e W são diferenes nos dois ransísores er-se-á Wp μn 450 μ nwn =μpwp = = =,9 W μ 500 ) A caracerísica de ransferência do inersor CMS simérico em o aspeco represenado na figura seguine: n p C ox V V /+ V V / V NMS core PMS ríodo NMS sauração PMS ríodo NMS ríodo PMS sauração NMS ríodo PMS core V V V V / Quando um dos ransísores esá ao core a ensão de saída ou é V (NMS corado)ou é V zero (PMS corado) A ransição abrupa que no gráfico ocorre para = V / porque endo-se desprezado a resisência de dreno r as curas caracerísicas i D ( DS ) são horizonais não esando bem definido o pono de cruzameno das curas dos dois ransísores (er slide da aula eórica) Para deerminar expressões analíicas basará deerminar a que corresponde ao segmeno em que o ransísor NMS esá saurado e o PMS ao core Correne no NMS (saurado): Dn = ( GSn n) = ( ) i K V K V Correne no PMS (ríodo): idp = K ( SGp Vp ) SDp SDp = K ( V V )( V ) ( V )

3 em que fizemos V = V = V, e odas as ensões ariáeis foram posas em função de n p ou Como a correne no ransísor PMS é igual à do ransísor NMS, igualam-se as expressões aneriores das correnes obendo-se: = ) ( V ) ( V V )( V ) ( V Daqui é possíel ober em função de : = + + < < V ( V V ) ( V ), V V / Verifica-se que, nos exremos do ineralo se confirmam os alores esperados: ( V ) = V e ( V / ) = V / + V Para deerminar a expressão analíica do segmeno em que é o ransísor NMS que esá na região de ríodo e o PMS na sauração pode irar-se parido da simeria da caracerísica Assim, designando por _ ( ) low a noa cura, dee erificar-se high _ ( ) a cura arás deerminada e por [ / + ( /)] = [ / ( /)] V V V V V _ low _ high ou seja, ( ) = V ( V ) _ low _ high Fazendo a subsiuição ficamos com, ( ) ( ), / = V V V V V < < V V Também aqui coném confirmar os alores nos exremos do ineralo, ( V / ) = V / V e ( V V ) = 0 Eses resulados podem ser condensados numa represenação gráfica rigorosa obida em Exel: 5 4,5 4 Tensão de saída (ol) 3,5 3,5,5 0, ,5,5,5 3 3,5 4 4,5 5 Tensão de enrada (ol)

4 3) As ensões V e V são os exremos do ineralo designado por margem de ruído L inferior, enquano as ensões V e V são os exremos da margem de ruído superior Denro desses ineralos o ganho incremenal L H H / dee ser inferior à unidade, o que implica que o inersor acua ambém como aenuador dos sinais ariáeis, aenuando porano o ruído Na figura seguine ilusra-se de forma gráfica ese conceio Sabe-se à parida que Sabe-se ambém que VL 0 = V e VH alores e ober o ouro por simeria = V V / V = V V /, pelo que basará deerminar um deses L H V H =V V L =0 V L V L V H V H =V Assim, amos deerminar o pono do arco superior onde a deriada ale mais fácil parir da relação do que deriar = ) ( V ) ( V V )( V ) ( V ( ) Deriando a expressão anerior em ordem a em-se ( ) ( ) ( ) V = V V V + ( V ) Fazendo / = obém-se a relação V = L + que dee ser subsiuída na expressão de parida para se ober / = É Resula enão V L L = ( 3 V + V ) =,5 V H =,875 V 8 Claro que a expressão geral de ambém se pode ober resulando, V H H = ( 5 V V ) =,875 V 8

5 4) Dada a simeria do inersor os empos de araso PHL ( decrescene) e PLH ( crescene) são iguais Vamos enão calcular aproximadamene PHL considerando que a correne de descarga é dada pelo alor médio da correne inicial e da correne que se erifica quando a ensão de saída ainge o alor = V / condensador descarregase araés do ransísor NMS, como se mosra na figura No insane inicial a ensão no condensador e porano DSn = é igual a V Como a ensão de enrada, nesse insane passou para V, o ransísor esá na região de sauração e a correne em a inensidade i (inicial) = K( V V ) = 30 4 = 480 μ A Dn No insane finl a ensão no condensador e porano DSn = é igual a V / Como a ensão de enrada coninua igual a V, o ransísor esá na região de ríodo e a correne em a inensidade idn(final) = K ( V V )( V / ) ( V / ) = 30 (8,5,5 ) = 4,5 μa alor médio das duas correnes será ,5 i Dn (média) = = 446,5 μ A empo de descarga será dado por P Δ Q Cl V / 0,5 = = = = 5, 6 ns i (média) i (média) 6 446, 5 0 Dn Dn 5) A poência esáica do inersor CMS é, como se sabe, praicamene nula, pois nessas circunsâncias não exise correne Em regime dinâmico a poência de dissipação ale 6 P = f CV = = mw l No processo de carga de C l araés do ransisor PMS dissipa-se a energia W d = CV l no r PMS e armazena-se uma energis igual no condensador No processo de descarga essa energia é ransferida para o r NMS onde se dissipa A poência de dissipação nos dois ransísores é igual a meade de P, ou seja 0,5 mw