Transístores de passagem e portas de transmissão João anas Ferreira Universidade do Porto Faculdade de Engenharia 2014-05-06
Assuntos 1 Transístores de passagem 2 Portas de transmissão João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 2 / 20
ircuitos lógicos com transístores de passagem Transístores NMOS usados como interrutores (controlados por tensão) Garantir que não existe contenção nos nós externos Sinal à saída da rede de interrutores deve ser "restaurado" araterísticas: Usa menor número de transístores Não tem consumo estático Atenção ao buffer de saída João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 3 / 20
Tensão de saída A tensão correspondente a 1 é degradada pela rede de transístores NMOS. V DD In x Out Voltage [V] 3.0 2.0 1.0 Out x In V X = V DD V T Pode existir consumo estático no inversor de saída Pode ser vantajoso alterar V M 0.0 0 0.5 1 1.5 2 Time [ns] Transístor NMOS sujeito a efeito de corpo (aumento de V T ) Resistência do interrutor cresce quando a tensão de saída se aproxima de V in V T (zona linear) Ligar drenos a portas de transístores aumenta degradação da saída João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 4 / 20
Interruptor NMOS V = V DD V T = V DD (V T0 + γ( 2Φ F + V S 2Φ F ) 1,8 V = 2.5V A = 2.5 V = 2.5 V L A = 2.5 V M n M 2 M 1 V não atinge 2,5 V, mas apenas 2,5 V-V T. Existe consumo de potência estática na porta seguinte. Transístor NMOS está sujeito a efeito de corpo, com aumento da tensão de limiar. Resistência do interruptor cresce quando a tensão de saída V se aproxima de V A V T (funcionamento na zona linear). João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 5 / 20
urvas de transferência As curvas de transferência deste tipo de circuito são muito diferentes das curvas associadas a portas MOS complexas. João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 6 / 20
ircuitos do tipo PTL PTL = complementary pass transistor logic Valores complementares sempre disponíveis Todas as portas têm a mesma topologia Pode ser necessário usar portas com V T =0, para compensar a ligação de fontes a portas. João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 7 / 20
Recuperação de nível de tensão V DD Level Restorer A M n M r X V DD M 2 Out Problema no nó X durante a sua transição H L: descarga via Mn é contrariada por pullup via Mr. M 1 Variação completa da amplitude (rail-to-rail) Transístor de recuperação aumenta a capacidade em do nó X Problema de dimensionamento (ratioed circuit) João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 8 / 20
Dimensionamento do transístor de restauro 3.0 Voltage [V] 2.0 1.0 W/L r =1.75/0.25 W/L r =1.50/0.25 W/L r =1.0/0.25 W/L r =1.25/0.25 0.0 0 100 200 300 400 500 Time [ps] Existe um limite superior para a dimensão do transístor de restauro. Pull-down via transístor de restauração pode ser uma cadeia de vários transístores NMOS. Mr aumenta o tempo de subida, diminui tempo de descida. apacidade acrescida em X torna a porta mais lenta. João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 9 / 20
Emprego de transístores com V t =0 orrentes de fuga podem ser significativas quando a comutação não é frequente. ontinua a existir efeito de corpo. João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 10 / 20
Assuntos 1 Transístores de passagem 2 Portas de transmissão João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 11 / 20
Porta de transmissão A A = 2.5 V A = 2.5 V L = 0 V A utilização de portas de transmissão tem vindo a decrescer. Porquê? João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 12 / 20
Resistência de uma porta de transmissão 3 0 R n 2.5 V Rn Resistance, ohms 2 0 1 0 R p R n R p 2.5 V 0 V R p V out 0 0. 0 1. 0 2. 0 V out, V G eq = 1 R eq k n (V DD V TN ) + k p (V DD V TP ) João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 13 / 20
Multiplexador de portas de transmissão V DD S S S V DD A M 2 S F M 1 S GND In 1 S S In 2 João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 14 / 20
Porta XOR com portas de transmissão saída F M2 A M1 F M3/M4 A Implementação complementar requer 12 transístores. Analisar separadamente os casos =1 e =0. A saída (nó F) tem sempre um percurso de baixa resistência para as alimentações. João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 15 / 20
Atraso em cadeias de portas de transmissão 2.5 2.5 2.5 V 1 V i 1 V i V i+1 V n 1 In 2.5 V n 0 0 0 0 (a) In R eq R V eq R eq R 1 V i V i+1 V eq n 1 V n m (b) R eq R eq R eq R eq R eq R eq In João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 16 / 20
Otimização do atraso Atraso de cadeia R t p = 0,69 n k=0 Atraso de cadeia R com buffers n: número de portas da cadeia n t p = 0,69 m R eq R eq k = 0,69 R eq n(n + 1) 2 m(m + 1) 2 m: número de portas por segmento ( n ) + m 1 t buf n(m + 1) ( n ) = 0,69 R eq + 2 m 1 t buf Número ótimo de portas por segmento m opt = 1,7 t buf R eq João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 17 / 20
Exemplo: atraso de uma cadeia de portas de transmissão 16 portas de transmissão, 8 kω, 3,6 ff: 2,7 ps João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 18 / 20
Exemplo adicional: somador completo P V DD V DD A i P S Sum Generation A A P i A P V DD V A DD P P o arry Generation i i Setup A i P Atrasos semelhantes para a soma e o transporte Usa 24 transístores em vez de 28 S = A S = A + A + A + A o = A + + A G = A D = A P = A o(g, P) = G + P S(G, P) = P João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 19 / 20
Referências As figuras usadas provêm do seguinte livro: Rabaey03 J. M. Rabaey et al, Digital Integrated ircuits, 2ª edição,prentice Hall, 2003. http://bwrc.eecs.berkeley.edu/icbook/ João anas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 20 / 20