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EE1411
Logica CMOSLogica CMOSStaticaStatica
Circuiti Integrati Circuiti Integrati DigitaliDigitaliL’ottica del progettistaL’ottica del progettistaJan M. RabaeyAnantha ChandrakasanBorivoje Nikolic
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EE1412
Circuiti CMOS StaticiCircuiti CMOS Statici In ogni istante (ad eccezione delle transizioni)
ciascuna uscita è connessa o a massa o a VDD attraverso un cammino a bassa resistenza
Le uscite delle porte logiche assumono in ciascun istante i valori della funzione booleana svolta dal circuito (a meno dei transitori di commutazione)
Al contrario, il funzionamento dei circuiti dinamici si basa sul temporaneo immagazzinamento in nodi capacitivi in alta impedenza
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EE1413
Logica CMOS Statica ComplementareLogica CMOS Statica Complementare
VDD
F(In1,In2,…InN)
In1In2
InN
In1In2
InN
PUN
PDN
Solo PMOS
Solo NMOS
PUN e PDN sono reti logiche duali…
…
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EE1414
Connessione di NMOS in serie/paralleloConnessione di NMOS in serie/parallelo
I transistor possono essere pensati come interrutori controllati dai segnali di ingresso
L’interruttore NMOS è chiuso quando l’ingresso è alto
X Y
A B
Y = X se A and B = vero
X Y
A
B Y = X se A or B = vero
I transistor NMOS conducono 0 “forti” ma 1 “deboli”
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EE1415
Connessione di PMOS in serie/paralleloConnessione di PMOS in serie/parallelo
X Y
A B
Y = X se A and B = A + B = vero
X Y
A
B Y = X se A or B = AB = vero
I transistor PMOS conducono 1 “forti” ma 0 “deboli”
L’interruttore PMOS è chiusi quando il l’ingresso è basso
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EE1416
Caduta di VCaduta di Vtt
VDD
VDD 0PDN
0 VDD
CL
CL
PUN
VDD
0 VDD - VTn
CL
VDD
VDD
VDD |VTp|
CL
S
D S
D
VGS
S
SD
D
VGS
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EE1417
Circuiti CMOS complementariCircuiti CMOS complementari
A B A B
A B A B
Il PUP è la rete duale del PDN(dimostrabile con il teorema di DeMorgan)
Le porte logiche complementari sono invertenti
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EE1418
Esempio: Porta NANDEsempio: Porta NAND
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Esempio: Porta NOREsempio: Porta NOR
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EE14110
Porta Logica ArbitrariaPorta Logica Arbitraria
OUT = D + A • (B + C)
D
A
B C
D
A
B
C
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EE14111
Costruire una porta logica complementareCostruire una porta logica complementare
C
(a) pull-down network
SN1 SN4
SN2
SN3D
FF
A
DB
C
D
F
A
B
C
(b) Deriving the pull-up networkhierarchically by identifyingsub-nets
D
A
A
B
C
VDD VDD
B
(c) complete gate
Rete di pull-down Scomposizione in serie e parallelo di sottoreti
Porta logica completa
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EE14112
Proprietà della logica CMOS Proprietà della logica CMOS statica complementarestatica complementare Swing logico completo da 0 a VDD; margini di rumore
elevati. I livelli logici di tensione sono indipendenti dalle
dimensioni dei MOS Esiste sempre un cammino a bassa impedenza verso
massa o VDD in condizioni stazionarie; bassa impedenza di uscita
Impedenza di ingresso elevata; corrente assorbita praticamente nulla
In condizioni stazionarie non esiste alcun cammino diretto tra massa e VDD; consumo statico nullo
Il tempo di ritardo è funzione della resistenza e della capacità di uscita
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EE14113
Modello ad interruttoreModello ad interruttore
A
Req
A
Rp
A
Rp
A
Rn CL
A
CL
B
Rn
A
Rp
B
Rp
A
Rn
B
Rp
A
Rp
A
Rn
B
Rn CL
NAND2 INVNOR2
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EE14114
Tempo di ritardo e configurazione Tempo di ritardo e configurazione degli ingressidegli ingressi
Il tempo di ritardo dipende dalla configurazione degli ingressi
Transizione 01 Entrambi gli ingressi a 0
– tp = 0.69 Rp/2 CL
Un solo ingresso a 0– tp = 0.69 Rp CL
Transizione 10 Entrambi gli ingressi a 1
– tp = 0.69 2Rn CL
CL
B
Rn
A
Rp
B
Rp
A
Rn
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EE14115
Dimensionamento dei transistorDimensionamento dei transistor
CL
B
Rn
A
Rp
B
Rp
A
Rn
B
Rp
A
Rp
A
Rn
B
Rn CL
2
2
2 2
11
4
4
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EE14116
Dimensionamento dei MOS in una Dimensionamento dei MOS in una porta logica arbitrariaporta logica arbitraria
OUT = D + A • (B + C)
D
A
B C
D
A
B
C
1
2
2 2
4
4
8
8
6
3
6
6
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EE14117
Tempo di ritardo e capacità dei Tempo di ritardo e capacità dei nodi interninodi interni Il tempo di ritardo dipende dalla
configurazione degli ingressi Transizione 01
Entrambi gli ingressi a 0– tp = 0.69 Rp/2 CL
Un solo ingresso a 0– tp = 0.69 Rp CL
Transizione 10 A=1 e B: 01
– Cint è già scarica– tp = 0.69 2Rn CL
B=1 e A: 01– Necessario scaricare anche Cint– tp = 0.69 2Rn CL+0.69Rn Cint
A=B: 01– tp = 0.69 2Rn CL ??
CL
B
Rn
A
Rp
B
Rp
A
Rn Cint
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EE14118
The Elmore DelayThe Elmore Delay
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EE14119
The Ellmore DelayThe Ellmore DelayRC ChainRC Chain
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Fan-in e Fan-outFan-in e Fan-out
N
Fan-out N Fan-in M
M
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EE14121
Effetto del Fan-In sul tempo di Effetto del Fan-In sul tempo di ritardoritardo
DCBA
D
C
B
A CL
C3
C2
C1
Modello RC distribuito (Ritardo di Elmore)
tpHL = 0.69 Reqn(C1+2C2+3C3+4CL)
Il tempo di ritardo si degrada rapidamente con l’aumentare del fan-in: con il quadrato del fan-in nel caso peggiore
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EE14122
ttpp in funzione del Fan-In in funzione del Fan-In
tpLH
t p (
pse
c)
fan-in
Evitare porte con fan-in maggiore di 4
0
250
500
750
1000
1250
2 4 6 8 10 12 14 16
tpHL
quadratico
lineare
tp
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EE14123
ttpp in funzione del Fan-Out in funzione del Fan-Out
2 4 6 8 10 12 14 16
tpNOR2
t p (
pse
c)
eff. fan-out
Tutte le porte hanno la stessa resistenza di uscita
tpNAND2
tpINV
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EE14124
ttpp in funzione del Fan-In e del Fan-Out in funzione del Fan-In e del Fan-Out
Fan-in: dipendenza quadratica a causa dell’aumento di resistenza e capacità
Fan-out: ciascuna porta inserita all’uscita, aggiunge due capacità di gate in CL
tp = a1FI + a2FI2 + a3FO
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EE14125
Ottimizzazione delle porte logiche: Ottimizzazione delle porte logiche: metodologie di progetto (1)metodologie di progetto (1) Dimensionamento dei transistor
Finché la capacità esterna è dominante Dimensionamento progressivo
InN CL
C3
C2
C1In1
In2
In3
M1
M2
M3
MNRete RC distribuita
M1 > M2 > M3 > … > MN (il MOS più vicino all’uscita è il più piccolo)
È possibile ridurre il ritardo fino al 20%;
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EE14126
Ottimizzazione delle porte logiche: Ottimizzazione delle porte logiche: metodologie di progetto (2)metodologie di progetto (2)
Riordino degli ingressi
C2
C1In1
In2
In3
M1
M2
M3 CL
C2
C1In3
In2
In1
M1
M2
M3 CL
Cammino critico
carica1
01carica
carica1
Il tempo di ritardo dipende dalla scarica di CL, C1 e C2
Il tempo di ritardo dipende solo dalla scarica di CL
1
1
01 carica
scarica
Cammino critico
scarica
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EE14127
Ottimizzazione delle porte logiche: Ottimizzazione delle porte logiche: metodologie di progetto (3)metodologie di progetto (3)
Architettura del circuito
F = ABCDEFGH
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EE14128
Ottimizzazione delle porte logiche: Ottimizzazione delle porte logiche: metodologie di progetto (4)metodologie di progetto (4)
Impiego di buffer CMOS
CLCL