View
223
Download
5
Category
Preview:
Citation preview
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Osnove mikroelektronike
Z. Prijic T. Pešic
Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku
Predavanja 2006.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Sadržaj
1 MOSFET - model za male signale
2 CMOS invertorPrincip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signale
Aproksimacija malih signala podrazumeva da se velicinekoje karakterišu male signale superponiraju na DCvrednosti.Na primer, ukupna struja drejna iD jednaka je zbiru DCstuje ID i struje malih signala id .Ukupni napon na drejnu je υD = VD + υd .Analiza i projektovanje kola mogu se znacajnopojednostaviti odvajanjem proracunavanja za polarizacijeDC i malim signalima.Dakle, najpre se postavi radna tacka i izracunaju sve DCvelicine, a zatim se može izvršiti analiza kola za malesignale zanemarujuci DC velicine.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signale
Aproksimacija malih signala podrazumeva da se velicinekoje karakterišu male signale superponiraju na DCvrednosti.Na primer, ukupna struja drejna iD jednaka je zbiru DCstuje ID i struje malih signala id .Ukupni napon na drejnu je υD = VD + υd .Analiza i projektovanje kola mogu se znacajnopojednostaviti odvajanjem proracunavanja za polarizacijeDC i malim signalima.Dakle, najpre se postavi radna tacka i izracunaju sve DCvelicine, a zatim se može izvršiti analiza kola za malesignale zanemarujuci DC velicine.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signale
Aproksimacija malih signala podrazumeva da se velicinekoje karakterišu male signale superponiraju na DCvrednosti.Na primer, ukupna struja drejna iD jednaka je zbiru DCstuje ID i struje malih signala id .Ukupni napon na drejnu je υD = VD + υd .Analiza i projektovanje kola mogu se znacajnopojednostaviti odvajanjem proracunavanja za polarizacijeDC i malim signalima.Dakle, najpre se postavi radna tacka i izracunaju sve DCvelicine, a zatim se može izvršiti analiza kola za malesignale zanemarujuci DC velicine.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signale
Aproksimacija malih signala podrazumeva da se velicinekoje karakterišu male signale superponiraju na DCvrednosti.Na primer, ukupna struja drejna iD jednaka je zbiru DCstuje ID i struje malih signala id .Ukupni napon na drejnu je υD = VD + υd .Analiza i projektovanje kola mogu se znacajnopojednostaviti odvajanjem proracunavanja za polarizacijeDC i malim signalima.Dakle, najpre se postavi radna tacka i izracunaju sve DCvelicine, a zatim se može izvršiti analiza kola za malesignale zanemarujuci DC velicine.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signale
Aproksimacija malih signala podrazumeva da se velicinekoje karakterišu male signale superponiraju na DCvrednosti.Na primer, ukupna struja drejna iD jednaka je zbiru DCstuje ID i struje malih signala id .Ukupni napon na drejnu je υD = VD + υd .Analiza i projektovanje kola mogu se znacajnopojednostaviti odvajanjem proracunavanja za polarizacijeDC i malim signalima.Dakle, najpre se postavi radna tacka i izracunaju sve DCvelicine, a zatim se može izvršiti analiza kola za malesignale zanemarujuci DC velicine.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signaleZanemaren efekat modulacije dužine kanala
MOSFET se ponaša kao naponom kontrolisani strujniizvor: on prihvata napon υgs izmedju gejta i sorsa iobezbedjuje struju gmυgs na izvodu drejna.Ulazna otpornost ovog kontrolisanog izvora je veomavelika (beskonacna).Izlazna otpornost se takodje, za sada, može smatratibeskonacnom.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signaleOstali elementi kola pojacavaca sa MOS tranzistorima kod analize malih signala
Kod analize malih signala, tranzistor se zamenjuje modelom zamale signale, a ostali elementi u kolu ostaju nepromenjeni osimšto:
idealni naponski DC izvori su kratkospojeni;idealni strujni DC izvori su zamenjeni otvorenom granom.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signaleUkljucen efekat modulacije dužine kanala
Najveci nedostatak opisanog modela je pretpostavka dastruja drejna u saturaciji ne zavisi od napona na drejnu.Struja drejna ima linearnu zavisnost od napona υDS, kojase može modelirati konacnom otpornošcu r0 izmedjudrejna i sorsa:
r0 =|VA|ID
Uobicajene vrednosti za r0 su izmedju 10kΩ i 1MΩ.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signaleUkljucen efekat modulacije dužine kanala
Parametri modela za male signale gm i r0 zavise od DCpolarizacije MOSFET-a.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Model za male signalePrimer pojacavaca i ekvivalentnog kola za male signale
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Sadržaj
1 MOSFET - model za male signale
2 CMOS invertorPrincip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
CMOS logicka kola su se pojavila kao standardnapakovanja za korišcenje u konvencionalnim digitalnimsistemima još pocetkom 70-tih (SSI i MSI kola).Kasnih 70-tih korišcena su logicka kola sa samo NMOStranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOStehnologija bila previše složena da ekonomski budeisplativa za cipove sa visokim stepenom integracije.Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologijaje u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svimnivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalneprimene.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
CMOS logicka kola su se pojavila kao standardnapakovanja za korišcenje u konvencionalnim digitalnimsistemima još pocetkom 70-tih (SSI i MSI kola).Kasnih 70-tih korišcena su logicka kola sa samo NMOStranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOStehnologija bila previše složena da ekonomski budeisplativa za cipove sa visokim stepenom integracije.Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologijaje u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svimnivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalneprimene.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
CMOS logicka kola su se pojavila kao standardnapakovanja za korišcenje u konvencionalnim digitalnimsistemima još pocetkom 70-tih (SSI i MSI kola).Kasnih 70-tih korišcena su logicka kola sa samo NMOStranzistorima (LSI i VLSI), jer je tadašnja CMOStehnologija bila previše složena da ekonomski budeisplativa za cipove sa visokim stepenom integracije.Sa poboljšanjem tehnoloških procesa, CMOS tehnologijaje u potpunosti zamenila NMOS tehnologiju na svimnivoima integracije, kako za analogne tako i za digitalneprimene.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip radaCMOS invertor - osnovno kolo
Sastoji se od dva uparena tran-zistora:
QN sa n tipom kanala;QP sa p tipom kanala;
Supstrati tranzistora vezani suza odgovarajuce izvode sorsa.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip radaUlaz invertora na logickoj jedinici (υI = VDD)
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip radaUlaz invertora na logickoj jedinici (υI = VDD)
Izlazni napon je blizu 0 (manji od10mV), struja kroz tranzistore jeskoro 0.Disipacija snage u kolu je vrlomala (manja od µW).QN obezbedjuje niskootporni putizmedju izlaza i mase:
rDSN =1[
k ′n(W
L
)n (VDD − Vtn)
]
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip radaUlaz invertora na logickoj nuli (υI = 0)
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip radaUlaz invertora na logickoj nuli (υI = 0)
Izlazni napon je skoro jednakVDD (manji od njega za oko10mV), struja kroz tranzistore jeskoro 0.Disipacija snage u kolu je i uovom slucaju vrlo mala.QP obezbedjuje niskootporni putizmedju izlaza i DC napajanjaVDD:
rDSP =1[
k ′p(W
L
)p (VDD − |Vtp|)
]Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Princip rada
Osnovni CMOS invertor se ponaša kao idealni invertor.1 Nivoi izlaznih napona su 0 i VDD, što obezbedjuje odlicnu
izmenu signala i velike margine šuma.2 Disipacija snage je skoro jednaka nuli (zanemarujuci
disipaciju usled struja curenja) za oba logicka stanja.3 Postoji niskootporni put izmedju izlaza i mase ili VDD, što
obezbedjuje da je izlazni napon 0 ili VDD, nezavisno ododnosa W/L ili drugih parametara tranzistora.
4 Ulazna otpornost invertora je beskonacna (IG = 0), štoznaci da se na izlaz invertora može vezati veci broj slicnihinvertora bez gubitka u nivou signala.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Fan-in i Fan-out
Fan-in: Maksimalni brojlogickih gejtova koji semogu prikljuciti na ulaznigejt nekog logickog kola.
Fan-out: Maksimalni brojlogickih gejtova koji semogu prikljuciti na izlaznigejt nekog logickog kola.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Sadržaj
1 MOSFET - model za male signale
2 CMOS invertorPrincip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Naponska prenosna karakteristika
Potpuna prenosna karakteristika može se dobiti ponavljanjemgraficke procedure opisane za dva prethodna ekstremnaslucaja napona υI :
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Naponska prenosna karakteristika
VIL – niži ulazni napon pri komeje strmina prenosnekarakteristike jednaka -1;VIH – viši ulazni napon pri komeje strmina prenosnekarakteristike jednaka -1;VOH - izlazni napon kojiodgovara naponu VIL;VOL - izlazni napon koji odgovaranaponu VIH ;VM - napon pri kome su naponina ulazu i izlazu invertorajednaki.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Naponska prenosna karakteristika
CMOS invertor se obicno projektuje tako da tranzistoriimaju iste vrednosti napona praga (Vtn=|Vtp|=Vt );Tranzistori najcešce imaju jednake dužine kanala, ali zadobijanje simetricne prelazne karakteristike širinatranzistora QP je 2 do 3 puta veca nego kod tranzistoraQN , tako da bude zadovoljen uslov:
Wp
Wn=
µn
µp
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Simetricna naponska karakteristika sa naznacenimoblastima rada pojedinih tranzistora
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Margine šuma
Ako se izlaz jednog logickog kola optereti drugim logickimkolima, potrebno je obezbediti da se naponski nivoi sa izlazaprethodnog kola uvek pravilno interpretiraju na ulazu narednogkola. U tom smislu se definišu margine šuma:
NMH = VOH − VIH
NML = VIL − VOL
Margina šuma NMH obezbedjuje da se logicka jedinica saizlaza prvog invertora interpretira kao logicka jedinica na ulazudrugog invertora.Margina šuma NML obezbedjuje da se logicka nula sa izlazaprvog invertora interpretira kao logicka nula na ulazu drugoginvertora.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Sadržaj
1 MOSFET - model za male signale
2 CMOS invertorPrincip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Dinamicki režim rada
Ekvivalentna kapacitivnost C na iz-lazu invertora ukljucuje:
ulaznu kapacitivnost logickihkola koja se vezuju na izlazinvertora;parazitnu kapacitivnost vezaizmedju kola;parazitnu kapacitivnostosiromašenih oblasti spojadrejn-supstrat tranzistora unutarinvertora.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Dinamicki režim radaPropagaciono kašnjenje
Brzina rada digitalnog sistema odredjena je propagacionimkašnjenjem logickih gejtova koji su korišceni pri projektovanju irealizaciji sistema.
Pretpostavka: promene naponana ulazu su trenutne;Ako su tranzistori upareni, kakoje kolo simetricno, vremenaporasta i opadanja izlaznogsignala bi trebalo da budujednaka.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Dinamicki režim radaNa ulaz se dovodi logicka jedinica...
Za odredjivanje vremena opadanja izlaznog signala:
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Dinamicki režim radaVremena kašnjanja
Vreme pražnjenje kondenzatora tPHL(High-to-Low outputprelaz), za uobicajen slucaj Vt ≈ 0.2VDD:
tPHL =1.6C
k ′n (W/L)n VDD
Vreme punjenja kondenzatora tPLH (Low-to-High outputprelaz):
tPLH =1.6C
k ′p (W/L)p VDD
Propagaciono kašnjenje je:
tp =tPHL + tPLH
2
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
CMOS invertorModel za male signale
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Sadržaj
1 MOSFET - model za male signale
2 CMOS invertorPrincip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Struja kroz CMOS invertor i disipacija snageStruja kroz CMOS invertor
Kod CMOS invertorastruja protice samo uprelaznom režimu,odnosno pri promenilogickih stanja invertora.To je i osnovni razlog zbogkoga se za kola visokogstepena integracije (VLSI iULSI) koristi iskljucivoCMOS tehnologija.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Struja kroz CMOS invertor i disipacija snageStruja kroz CMOS invertor
Kod CMOS invertorastruja protice samo uprelaznom režimu,odnosno pri promenilogickih stanja invertora.To je i osnovni razlog zbogkoga se za kola visokogstepena integracije (VLSI iULSI) koristi iskljucivoCMOS tehnologija.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
MOSFET - model za male signaleCMOS invertor
Princip radaNaponska prenosna karakteristikaDinamicki režim radaStruja kroz CMOS invertor i disipacija snage
Struja kroz CMOS invertor i disipacija snageDisipacija snage
Energija na kondenzatoru je CV 2DD/2, što znaci da je
PMOS tranzistor da bi napunio kondenzator Cnaelektrisanjem koje obezbedjuje napon na njegovimkrajevima VDD disipirao energiju CV 2
DD/2.Slicna analiza važi i za pražnjenje kondenzatora.Ukoliko CMOS invertor menja stanje f puta u sekundi,onda je dinamicka snaga disipacije na njemu:
PD = fCV 2DD
Druga komponenta disipacije snage odnosi se na prelaznirežim CMOS invertora. U tom slucaju su oba tranzistoraukljucena i kroz kolo tece struja od izvora VDD do mase.
Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike
Recommended