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