Κυκλώματα CMOS

ΗΜΥ-210: Σχεδιασμός Ψηφιακών Συστημάτων Κυκλώματα CMOS Διδάσκουσα: Μαρία Κ. Μιχαήλ Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Περίληψη • Κυκλώματα CMOS • Τρανζίστορ και μοντέλα διακόπτη • Δίκτυα CMOS • Δίκτυα σε σειρά • Παράλληλα δίκτυα • Πλήρως συμπληρωματικά CMOS • Αντιστροφέας CMOS • CMOS NAND και CMOS NOR • Σύνθετες πύλες CMOS • Πύλες μετάδοσης CMOS • CMOS Three-state Buffer Κυκλώματα CMOS

Κυκλώματα CMOS • Υλοποίηση λογικών πυλών και άλλων δομών χρησιμοποιώντας τεχνολογία CMOS. • Βασικό στοιχείο: τρανζίστορ • Υπάρχουν 2 τύποι τρανζίστορ: • n-κανάλι (n-channel): τρανζίστορnMOS • p-κανάλι (p-channel): τρανζίστορpMOS • Ο τύπος εξαρτάται από τα υλικά του ημιαγωγού που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του τρανζίστορ (πέραν των στόχων του μαθήματος…). • Μοντελοποιούμε την συμπεριφορά του τρανζίστορ σε λογικό επίπεδογια να μπορέσουμε να μελετήσουμε τη συμπεριφορά κυκλωμάτων CMOS  Θεωρούμε τα τρανζίστορ pMOS και nMOS ως διακόπτες. Κυκλώματα CMOS

nMOS FET (Field-Effect Transistor) Κυκλώματα CMOS

Τρανζίστορ CMOS ως διακόπτες • 3 άκρα (terminals) στα τρανζίστορ CMOS: • G: Πύλη (Gate) • D: Ακροδέκτης MOSFET (Drain) • S: Πηγή (Source) nMOS τρανζίστορ/διακόπτης X=1, διακόπτης κλείνει (ON) X=0, διακόπτης ανοίγει (OFF) pMOS τρανζίστορ/διακόπτης X=0, διακόπτης κλείνει (ON) X=1, διακόπτης ανοίγει (OFF) Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα διακόπτων • Χρησιμοποιούμε διακόπτες για τη δημιουργία δικτύων που αναπαριστάνουν λογικά κυκλώματα CMOS. • Για να υλοποιήσουμε μια συνάρτηση F, δημιουργούμε ένα δίκτυο έτσι ώστε να υπάρχει ένα μονοπάτι δια μέσου του δικτύου όταν το F=1,και να μην υπάρχει όταν το F=0. • Δύο βασικές δομές: • Τρανζίστορ σε σειρά • Παράλληλα τρανζίστορ Κυκλώματα CMOS

Τρανζίστορ σε Σειρά/Παράλληλα nMOS σε σειρά παράλληλο nMOS a a a a υπάρχει μονοπά- τιμεταξύ των σημείων a και b εάν Χ καιY είναι 1 X•Y υπάρχει μονοπά- τιμεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 1 X+Y X X:X X Y X:X Y:Y Y Y:Y b b b b παράλληλο pMOS pMOS σε σειρά a a a a υπάρχει μονοπά- τιμεταξύ των σημείων a και b εάν το Χ καιY είναι 0 X’•Y’ υπάρχει μονοπά- τιμεταξύ των σημείων a και b εάν το X ή το Y είναι 0 X’+Y’ X X:X’ X Y X:X’ Y:Y’ Y Y:Y’ b b b b Κυκλώματα CMOS

Δίκτυα διακόπτων (συν.) • Γενικά: • Το nMOS σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη AND • Το pMOS σε σειρά υλοποιεί την λογική πύλη NOR • Το παράλληλο nMOS υλοποιεί την λογική πύλη OR • Το παράλληλο pMOS υλοποιεί την λογική πύλη NAND • Παρατηρήστε ότι: • Το 1 είναι ο δυϊσμός του 3, και αντίστροφα • Το 2 είναι ο δυϊσμός του 4, και αντίστροφα Κυκλώματα CMOS

Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Pull-upδίκτυο(τραβά από +V) • Κάθε πλήρως συμπληρωματικό δίκτυο CMOS ακολουθεί τη δομήστα δεξιά. • Το κάθε ένα από τα δύο υπo-δίκτυα υλοποιεί τη συνάρτηση δυϊσμού του άλλου. • Στατική CMOS (static CMOS): υλοποιεί την F() (όλους τους συνδυασμούς που δίνουν 1)και το συμπλήρωμά της F’()(όλους τους συνδυασμούς που δίνουν 0). • Υπάρχει πάντα ένα μονοπάτι που οδηγεί στην έξοδο (F), είτε από την πηγή +V (λογικό 1) είτε από τη γείωση (λογικό 0). • Γιατί; Pull-downδίκτυο(τραβά από GRD) Κυκλώματα CMOS

+V X F = X’ GRD Πλήρως Συμπληρωματικά CMOS Παράδειγμα -- Αντιστροφέας F = X’ X Λογικό σύμβολο Σχηματικό σε επίπεδο τρανζίστορ • Λειτουργία: • X=1  ο διακόπτης nMOS κλείνει (pMOS παραμένειανοικτός) και η έξοδος άγει από το GRD  F=0 • X=0  ο διακόπτης pMOS κλείνει (nMOS παραμένειανοικτός) και η έξοδος άγει από το +V  F=1 Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Βασικές Πύλες (NOR, NAND, NOT) Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα CMOS • Γιατί τα δίκτυα pMOS είναι συνδεδεμένα στο +V και τα nMOS στο GRD? • Τα στοιχεία pMOS είναι σχεδόν ιδανικά όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η) και αδύνατα όταν τα διαπερνά χαμηλή τάση (L). • Τα στοιχεία nMOS είναι σχεδόν ιδανικά όταν τα διαπερνά χαμηλή τάσηκαι αδύνατα όταν τα διαπερνά υψηλή τάση (Η). • Η δομή του CMOS εξασφαλίζει την παραμονή των τιμών των διαφόρων σημάτων στα κατάλληλα υψηλά και χαμηλά λογικά επίπεδα, όταν μεταδίδονται δια μέσω του δικτύου και φθάνουν στην έξοδο. Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες (Complex Gates) Δεδομένης μιας συνάρτησης F(): • Βρείτε και απλοποιήστε την F’(). Βεβαιωθείτε ότι θα προχωρήσετε μέχρι που τα συμπληρώματα να φτάσουν στο επίπεδο παραγόντων (literal). • Υλοποιήστε την F’()σαν ένα nMOS δίκτυο και ακολούθως συνδέστε το με το GRD και την έξοδο F()  δίκτυο pull-down • Βρείτε το δυϊσμό της F’(), υλοποιήστε την ως ένα pMOS δίκτυοκαι ακολούθως συνδέστε το με το +V και την έξοδο F() δίκτυο pull-up • Συνδέστε τις εισόδους σε κάθε ένα από τα δίκτυα pull-up και pull-down. Κυκλώματα CMOS

Πλήρως ολοκληρωμένα δίκτυα CMOS Σύνθετες Πύλες - Παράδειγμα F = AB’+AC+BC’ Κυκλώματα CMOS

Πύλη Μετάδοσης CMOS Κυκλώματα CMOS

MUX 2-εισόδωνκαι XORμεπύλες μετάδοσης CMOS MUX (= multiplexer) =Πολυπλέκτης: Επιλέγει να περάσει την τιμή μίας από τις εισόδους βάση τηςτιμής του C Κυκλώματα CMOS

Κυκλώματα CMOS