-
CMOS: conceptes bàsics
Rosa M. BadiaRamon Canal
DMTardor 2004
DM, Tardor 2004 1
-
MOS: Metal Over SiliconMOS: Metal Over Silicon• Objectius:• Objectius:
– Conèixer com es dissenyen diferents tipus d’ t t lò i itj t l’ tilit iód’estructures lògiques mitjançant l’utilització de tecnologia MOS
• El contingut del tema se centra en:– Comportament lògic del transistor MOSComportament lògic del transistor MOS– Introducció a les estructures lògiques
combinacionalscombinacionals– Conceptes bàsics sobre el transistor MOS
DM, Tardor 2004 2
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Comportament ideal: interruptor digital• Comportament ideal: interruptor digital
DDrenajeDrenador
PPuerta
NMOSAcumulación
D F
P = 0
D F
P = 1
Gate
FFuente
D F D FGate
D
PPMOSAcumulación
P = 1 P = 0
F
AcumulaciónD F D F
DM, Tardor 2004 3
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS• Inversor CMOS: Complementary MOS
Input Output
D
1 (VDD) 1 (VDD) 1 (VDD)
Input Output
P
FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0
D
P
FInput Output Input = 0 Output = 1 Input = 1 Output = 0
F
0 (GND) 0 (GND) 0 (GND)
DM, Tardor 2004 4
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie nMOS:• Combinació serie nMOS:
– Output = 0 si S1=1 i S2=1
D
P S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1
Output
D
P
F
S1 S1= 0 S1= 1 S1= 0 S1= 1
D
PS2
S2= 0 S2= 0 S2= 1 S2= 1
F
DM, Tardor 2004 5
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació serie pMOS:• Combinació serie pMOS:
– Output = 1 si S1=0 i S2=0
D
PS1 S1= 1 S1= 0 S1= 1 S1= 0
D
F
S1
P
F
S2S2= 1 S2= 1 S2= 0 S2= 0
FOutput
DM, Tardor 2004 6
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela nMOS:• Combinació paral lela nMOS:
– Output = 0 si S1=1 o S2=1
S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output
D
P
D
PS1 S2
S2= 0S1= 0 S1= 0 S2= 1Output
P
F
P
F
S1 S2
S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0 S2= 1S1= 1S1= 1 S2= 0
DM, Tardor 2004 7
-
Tecnologia MOSTecnologia MOS• Combinació paral·lela pMOS:• Combinació paral lela pMOS:
– Output = 1 si S1=0 o S2=0
S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0
D
P
D
PS1 S2
S1= 1 S2= 1 S1= 1 S2= 0
FF
S1 S2
S2= 0S1= 0S1= 0 S2= 1
DM, Tardor 2004 8
-
Complementary CMOSComplementary CMOS• Complementary CMOS logic gates• Complementary CMOS logic gates
– nMOS pull-down networkpMOSpull-up
– pMOS pull-up network– a.k.a. static CMOS
pull-upnetwork
outputinputs
nMOSpull-downnetwork
Pull-up OFF Pull-up ONPull-down OFF Z (float) 1
Pull-down ON 0 X (crowbar)
DM, Tardor 2004 9
-
Portes CMOSPortes CMOS• Porta NAND• Porta NAND
VDD
Pull−up
0 1AOUT
(A+B)
Pull−up
out
1
0
B
1 1
1 0
(A · B)
Pull−down
GNDBA
DM, Tardor 2004 10
-
Portes CMOSPortes CMOS• Porta NOR• Porta NOR
VDD
(A · B) 0
0
1AOUT
Pull−up 01
out1
0
B
0 0
01
(A+B)
GND
BAPull−down
DM, Tardor 2004 11
-
Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes• Portes complexes
VDD
D + (A · B · C)
B
A
D
OUT
1
AB00 01 11 10
00 1 1 1
D + (A · B · C)
outC
0
00
01
11CD
1 0 0
0 0 0 0
D10 1 1 1 1
GND
BA C D ·(A+B+C)
DM, Tardor 2004 12
-
Portes CMOSPortes CMOS• Portes complexes:• Portes complexes:
– L’expressió de la funció ha de ser una ió l t dexpressió complementada
– Operador “”:• Pull-down: Transistors nMOS en sèrie• Pull-up: Transistors pMOS en paral·lel
– Operador “+”:• Pull-down: Transistors nMOS en paral·lelp• Pull-up: Transistors pMOS en sèrie
DM, Tardor 2004 13
-
Tipus de transistorsTipus de transistors• Transistors de tipus MOS: nMOS i pMOSp p• Transistors nMOS: acumulació y buidament• Transistors bipolars: NPN, PNPp ,• Operació (interruptor electrònic):
– MOS: controlat per tensió (interruptor ideal)– Bipolar: controlat por corrent (interruptor +
amplificador)DDrenaje D D CColector
DrenadorD
PPuerta
Drenaje D
P
D
P
C
B
Base
Colector
Gate
NMOSInterruptor
FFuente
AcumulaciónNMOS
F
DeplexiónPMOS
F
AcumulaciónNPN
E
Bipolar
Emisor
Gate
DM, Tardor 2004 14
-
Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real
1 (VDD)
Input Output
5v (VDD)
D
P
D
P
D
FInput Output
D
FInput OutputR
C
R
C
P
F
P
FVISION IDEAL VISION REAL
F F
0 (GND) 0v (GND)
DM, Tardor 2004 15
-
Visió ideal vs visió realVisió ideal vs. visió real• Exemple: relació input/output d’un inversor• Exemple: relació input/output d un inversor
CMOS
DM, Tardor 2004 16
-
Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:
– nMOS acumulació: Vpf > Vt > 0– nMOS buidament: 0> Vpf > Vt
D
VDD
D
VDD
V > V
I
F
P I
F
P
tpf
df df
pfV > V td
GNDNMOSAcumulación
GNDNMOSDeplexión
DM, Tardor 2004 17
-
Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Intensitat Drenador – Font (I ) si:• Intensitat Drenador – Font (Ids) si:
– VDD- Vt > Vpf
D
VDD
C
VDD
D
IP df I
C
B ce
V < V − VDD tF
V > 0.7vE
I bebepf
PMOS
GND
AcumulaciónNPNBipolar
GND
DM, Tardor 2004 19
-
Implementació tecnològicaImplementació tecnològica
DM, Tardor 2004 20
-
Implementació tecnològicaImplementació tecnològica
PD F PD F CBE
P−well N−well
N+ P+ N+ P+ N+P+N+
P−well N−well
NMOS PMOS NPN (bipolar)NMOS PMOS NPN (bipolar)
DM, Tardor 2004 21
-
Comparació entre diferents tecnologiesComparació entre diferents tecnologies
Característica nMOS pMOS NPN
Resistencia d’entrada Alta Alta BaixaResistencia d entrada Alta Alta Baixa
Resistencia de sortida Baixa Baixa baixa
Movilitat Alta Baixa (1/2) alta
Ni ll i t ió Alt Alt MitjàNivell integració Alt Alt Mitjà
Consum estàtic Baix Baix alt
Consum dinàmic Mitjà Mitjà alt
DM, Tardor 2004 22
-
Comportament dinàmicComportament dinàmic• El funcionament del transistor nMOS es basa en la
creació d’un canal entre drenador i la font• El canal es construeix degut a un potencial positiu a la
t t d l b t t t l l tporta respecte del substrat, que atrau als electrons lliures al substrat, acumulant-los en el canal.
• Hi ha tres regions d’operació:Hi ha tres regions d operació:– Zona de tall (Cut-off): En aquesta zona no hi ha creació de
canal, Ids = 0.Z li l t d E t hi h ió d– Zona lineal o no saturada: En aquesta zona hi ha creació de canal i el corrent elèctric Ids es proporcional a la diferència de potencial entre el drenador i la font Vds.Z t d El l ’ t fi t Hi h t– Zona saturada: El canal s’estreny fins a trencar-se. Hi ha corrent elèctric Ids, però el seu valor és gairebé constant i independent de Vds
DM, Tardor 2004 23
-
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Tensió llindar• Tensió llindar
+DS
GVGS+
-
n+n+
Depletionn-channel
p-substrate
pRegion
DM, Tardor 2004 24B
-
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona lineal• Transistor en zona lineal
SVGS VDS
++
DG
+
ID
n+n+
xL
V(x) +–
p-substrate
B
DM, Tardor 2004 25MOS transistor and its bias conditions
-
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Transistor en zona de saturació• Transistor en zona de saturació
VGS
GVDS > VGS - VT
S D
n+n+ VGS - VT+-
Canal trencatDM, Tardor 2004 26
-
Comportament dinàmicComportament dinàmic• Zona lineal:• Zona lineal:
0insW
2
ds
L DVI V V V
2ds
ds gs t dsI V V V
• Zona saturació2 22ds gs tI V V
DM, Tardor 2004 27
-
Transistors de tipus nMOSTransistors de tipus nMOS
• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic
I I dfdf
V > V − V
V = 0.6V
V = 0.7V
I
DD
DDt V > V − V V = 0.3V
V = 0.1V
I
t
DD
DDpf
pf
pf
df
df
df
pf
pf
pfdf
V = 0.4V
V = 0.5V
V = 0.6V
DD
DD V = 0.1V
V = 0
V = −0.1V
DDpf
pf
pf
pf
V = 0.2V
V = 0.4V
V
DD
DD V = −0.1V
V = −0.3V
V
DD
DDpf
pf
pf
pf
VVDD0 DD0.5V
VVDD0 DD0.5V
ds
NMOS DeplexiónNMOS Acumulación
df
DM, Tardor 2004 28
-
Transistors de tipus pMOSTransistors de tipus pMOS• Comportament dinàmic• Comportament dinàmic
V < V
I I cedf
V < V
V = 0.2V DD
t
I = 4µA
I = 5µAbe
bepf
df
V = 0.6V
V = 0.5V
V = 0.4V
DD
DD
DD
I = 2µA
I = 3µAbe
be
pf
pf
pf
V = 0.8V
V = 0.6V
DD
DD
VVDD0 DD0.5V
I = 1µA
VDD0 DD0.5VVce
be
pf
pf
dfVDD0 DD0.5V VDD0 DD0.5V
NPN BipolarPMOS Acumulación
(Dos veces menos corriente que NMOS)
DM, Tardor 2004 29