הרצאות
Transcription
הרצאות
מעגלים אלקטרונים ספרתיים מרצה :ד"ר חמוטל דואדי מייל[email protected] : מטלות: חובת הגשה של תרגילי הבית – .01% עבודה שתינתן במהלך הסמסטר – .05% בחינה סופית – .55% סקירה כללית של תוכן הקורס: מגברי שרת: למגבר שני מצבי פעולה: .0מצב ליניארי – הפרש הכניסות מוכפל בפקטור מסוים. Vout A V V : .2מצב רוויה – מקסימום ומינימום במוצא. תכונות של מגבר אידיאלי: .0הגבר אינסופי. A : .2עכבת כניסה אינסופית. Rin : .3התנגדות כניסה אפסית. Rout 0 : Vcc+ הגבר בחוג סגור: מעביר מתח מכניסה אחת לשנייה (אך לא זרם) ובאופן זה משמש כחוצץ מתח. Vcc+ V+ V- Vout הגבר בחוג פתוח: אם כניסה אחת גדולה מהשנייה אז המגבר מוציא CC ,V CC .V V V VCC . עובד לפי הפונקציה: VCC else V+ V- Vcc- מגבר שרת בחוג פתוח (ימין) וחוג סגור (שמאל) בקורס זה נתעניין בחוג פתוח אשר יוציא 0לוגי או 1לוגי. המימוש הנפוץ הוא ע"י – CMOSשילוב של NMOSו.PMOS- |1 Vcc- מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן הגדות בסיסיות: זמן עלייה ):(rise time זמן העלייה t rמ 01%-ל 01%-מערך המתח המירבי. זמן נפילה ):(Fall time זמן ירידת המתח t fמ 01%-ל 01%-מערכו המירבי. זמן השהייה/תגובה: 1 מוגדר כממוצע הבאtPLH tPHL : 2 קריטריון זה נותן אינדיקציה למהירות עיבוד המעגל. . tP הספקים: יש לנו הספק סטטי (במצב )DCוהספק דינמי (במצב .)AC הספק דינמי מוגדר - PD f CLoad VOH :פיזור הספק דינאמי. 2 ה - DP PS PD :Delay Power-פרמטר הנותן אינדיקציה ל Tradeoff-שבין זמן ההשהייה של המעגל ותדר עבודת המעגל. הרי ככל שנגדיל את תדר העבודה נקטין את זמן ההשהייה אך עצם ההגדלה שלו מגדילה גם את ההספק – דבר שאינו רצוי (כי המעגל מבזבז אותו ולא מעביר אותו) .ההספק הסטטי הוא ההספק שנופל על התנגדות אוהמית (נגד) במצב .DC הקשר שבין מתחים לערכים לוגים: נגדיר תחום מתחים עבור 0לוגי ותחום מתחים עבור 1לוגי .תחום הביניים אינו מוגדר לאף ערך. . VH 2 VCC כדי לנצל את מקסימום תחום המתחים נרצה ש VL 2 GND -ו- בשירשור דרגות נרצה שהמתח היוצא מהדרגה הראשונה לשנייה יהיה בתחום ששומר על אותו הערך הלוגי. לכן נצטרך לדאוג שערך המתח בכניסה לדרגה הבאה לא יהיה יותר נמוך מערך מתח הכניסה המתפקד כ "0"-לוגי. במידה ונכנס רעש למערכת ,התחום המותר שלו הוא זה שבין ( VOH ,V1H מופיעים באיור שבעמוד הבא). שולי הרעש ) (Noise Marginמוגדרים NM H V0 H V1H :ו. NM L V1L V0 L - אלו הם הרעשים המקסימליים במוצא הרכיב שלא ישפיעו על הדרגה הבאה. :Fan-In / Fan out VH 1 VL 2 VL1 ""0 Fan out ה Fan in-מוגדר להיות מספר הכניסות האפשריות שניתן לחבר למעגל (זה קורה כי ככל שמחברים יותר כניסות הזרם מתחלק ולכן מקבלים תפקוד שונה של המעגל). ה Fan out-הוא מספר הרכיבים שניתן לחבר ליציאת המעגל כך שיתפקדו בתחום הרצוי. |2 VH 2 ""1 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן Fan in האופיין:VTC : אופיין הVTC -משמש לאפיין מהפך. האופיין נותן לנו לראות באופן כללי את איכות המהפך. מהאופיין ניתן להוציא את ערכי הקצה . VinL ,VoutL האופיין הוא ריאליזציה של מדרגה (המתוארת באדום). ניתן לראות כי עבור כניסה נמוכה מקבלים יציאה גבוהה. נסמן זאת. Vin V1L Vout VoH : dVout מתח האמצע Vm :הוא המתח המקיים 1 : dVin . מהפך עקרוני: נרצה לראות כיצד האיור הסמוך מממש את המהפך העקרוני. נתחיל במצב שבו . Vin 0v :נרצה מתח יציאה גבוה ולכן נרצה שהמתג יהיה פתוח. מתח המוצא יהיה במקרה זה. Vout VDD : עבור Vin VDD :נרצה שהמתג יהיה סגור ואז נקבל. Vout 0v : היות ובטרנזיסטורים ניתן לשלוט באמצעות ממתח אחד על ממתח אחר (ועל זרמים) ברורה המוטיבציה לשימוש בטרנזיסטורים. תזכורת מהירה לנוסחאות עבור כל מצבי הפעולה בסימונים מקובלים: באדום – הסימונים שהמרצה תשתמש בהם במהלך הסמסטר. |3 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן תיאור מבנה טרנזיסטור :MOSFET להלן מתואר חתך של טרנזיסטור :NMOS ההתקן בנוי ממצע מסוג Pובו שתי שכבות סיליקון המזוהמות חזק מסוג N (מכאן סימן ה .)"+"-הפסים השחורים הם מגעים אוהמים מתכתיים. כדי למנוע מוליכות מוסיפים שכבת סיליקון אוקסיד . SiO2 יש לנו 4מגעים .הזרם נע מ Drain-ל Source-וגודלו מושפע מהמתח שבין ה Gate-ל Source-וה Body-כפי שנראה מיד. מן הראוי לציין כי Nמסמל את תעלת הזרם הנוצרת בין ה D-ל S-בממתח חיובי VGS 0,VDS 0 ולא את המצע. בטרנזיסטור מסוג PMOSהסימון Pמייצגת את תעלת החורים שבין ה Source-ל.Drain- בעוד שבקורסים קודמים הנחנו לרוב כי , VBS 0 :כאן נתייחס גם למצבים בהם. VBS 0 : נניח בד"כ כי Bמחובר למתח הנמוך במעגל וב PMOS-למתח הגבוה במעגל – מעין הארקה של כל המעגל. נפעיל מתחי אספקה חיצוניים כך שיווצר אזור מחסור וגם שכבת אינוורסיה (היא התעלה עצמה שדרכה עוברים המטענים הניידים). מתח הסף - VTH :המתח שממנו והלאה ההתקן במצב מוליך ,ז"א. VGS VTH : נבחין כי כאשר VTH 0אזי החל מערך מסוים של VGS ההתקן יוליך וכאשר VTH 0גם ב VGS 0 -נקבל הולכה. מבחינת סדרי גודל1v : . VTH VTH 0 ההבדל בין MOSFETמסוג Depletionוסוג :Enhancement בהתקנים מסוג Depletionיש תעלה מובנת בין ה D-ל( .S-ב NMOS -יש תעלת Nבין Dל S-וב PMOS-יש תעלת .)P כתוצאה מכך המתח VGSהדרוש להולכה אינו גדול במיוחד ובנוסף ניתן להעביר זרמים גדולים יותר. בסוג Enhancementאין תעלה מובנית ולכן יש צורך במתח VGSגדול יחסית כדי שתיווצר שכבת אינוורסיה אשר תאפשר זרימה של מטענים ניידים דרך ההתקן. אפקט המצע –:Body Effect מתח הסף תלוי באופן ישיר בין המתחים שבין ה G-וה.B- ניתן להבין זאת פיזיקלית מכיוון המתח הסף בהגדרתו הוא המתח שממנו והלאה תתקיים זרימה של מטענים ניידים דרך ההתקן. ברור כי כדי שתיווצר תעלה בין ה D-ל S-יש לדעת מהו פיזור המתח האנכי מה G-כלפי מטה עד ל.B- מתח הזה יכול לתרום או להקשות על היווצרות תעלה .למשל ב ,NMOS-כאשר המתח VSB 0 :המשמעות היא שיותר אלקטרונים נמשכים לכיוון ה Gate-ובכך תורמים להיווצרות התעלה שנוצרת בעקבות הממתח . VGS התוצאה הישירה היא ש VTH -קטֵן ובכך גם המתח VGSהדרוש להפעלת ההתקן .לעומת זאת ,אם VSB 0 :יהיו יותר מטענים חיוביים (חורים) במקום שבו אמורה להיווצר תעלת אלקטרונים ובכך VTHיגדל עקב הצורך לבטלם ולכן גם . VGS |4 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן הנוסחא המקשרת בין הגדלים היא VBS 2P 2P : . VTn VT 0n n כאשר VT 0 n :הוא מתח הסף ללא אפקט המצע - P .הוא הפרש הפוטנציאל לאורך ה - VTn .Body-מתח הסף החדש. אם אין מתח בין Sל B-נקבל VT 0n : VBS 0 VBS 2P 2P 2q s N A הגודל nתלוי בתכונות הפיזיקליות של ההתקן לפי: Cox . VTn VT 0 n n .n מצבי פעולה: כדי שההתקן יוליך דרוש VGS VT :כפי שראינו עד כה. כאשר VDS VGS VT :אנו במצב רוויה (קרוי גם :צביטה). במצב זה התעלה שנוצרה נוגעת בקצה השני בלבד. 2 הזרם במצב זה הוא. I Dsat K VGS VT 1 ' : בד"כ נזניח את ' ונקבל. I Dsat K VGS VT : 2 כאשר VDS VGS VT :ההתקן במצב ליניארי ,ז"א הזרם גדל באופן ליניארי עם עליית . VGS מימוש מהפך ע"י טרנזיסטור: ניתן לראות כי כאשר Vin VT :אז Vout VDDוהמעגלים הבאים שקולים. כאשר VGS Vin VDD VT :אז Vout 0 :והמצב שקול למתג סגור. Vdd Rd Vdd Vout Vin ה Body-לא מצויר ,הוא מחובר למתח הנמוך במעגל – כאן זו האדמה ,אין אפקט מצע. כאשר VDS VGS VT :אנו במצב ליניארי. במעגל הנ"ל . VDS Vout :נרצה ש Vout -יהיה נמוך כי הכניסה היא |5 S VDDוזה הוא מהפך. במצב הליניארי נתייחס לטרנזיסטור כאל נגד ונסמן - ron :התנגדות המוצא של הטרנזיסטור. r נקבל. Vout on VDD : ron R V V אם R ron :אז Vout 0 :והזרם במקרה זה יהיה. I DD DD : ron R R 2 VDD . P IVDD ההספק הסטטי יהיה: R r תחום מתח היציאה הוא VDD on : ron R Rd Vdd R Vout . VOH VDD , VOLמתח הכניסה הוא החל מ. VinL VT - מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן rON זמני עלייה וירידה: t משוואת הדפקים: Vdd . y t y y y0 e R Vout במעבר מ Low-ל High-נציב. L H : Vout 0 VoutL , Vout VoutH : CL קבוע הזמן הוא. R CL : t נקבל את המשוואה VDD 1 e : הקירוב התבצע תוך ההנחות 0 , R ron : t . Vout t VoutH VoutH VoutL e . VoutLהמצב המתואר הוא של מתג פתוח. מבחינת סדרי גודל ,הזמן המקובל עבורו Voutמגיע ל Vout 10%VoutH -הוא 0.1ועבור Vout 90%VoutH :הוא. 2.3 : בסה"כ מקבלים זמן עלייה של. tr t2 t1 90%VoutH 10%VoutH 2.3 0.1 2.2 : במצב פריקה H L נקבל ron R C :וכן. t f 2.2 : 1 1 dV VDD Vout CL out R dt ron R נראה כי זהו אכן קבוע הזמן: ניתן לראות כי התנגדות היא של Rבמקביל עם . ron VDD Vout Vout dV CL out R ron dt דוגמא: נתונים הערכים. RL 1k , ron 10 , CL 10 pF : זמן העלייה הוא tLH 2.2 1k 10 p 22n sec :זמן הירידה הוא 0.22n sec : קיבלנו הפרש של 2סדרי גודל וזאת עקב ההתנגדות המקבילה. . tHL עד כאן הרצאה .1תאריך18.3.12 : נמשיך בניתוח המהפך הבא: בשיעור שעבר ראינו את האופיין VTCוחילקנו בו את מצבי הפעולה לפי: קיטעון – כאשר. Vin V1L : רוויה – כאשר. V1L Vin V1H : ליניארי – כאשר. Vin V1H : התייחסנו לטרנזיסטור כאל נגד משתנה עם התנגדות של ronהמשתנה לפי המתחים (כי הוא בתחום הליניארי שלו ולא ברוויה!). נמצא את : ron 2 ( I D K 2 VGS VT VDS VDSהקירוב הוא בתחום הליניארי). הזרם במצב הליניארי הוא 2K VGS VT VDS : 1 I 1 1 1 W . K nCox ron כאשר: . D לכן: נגזור: 2 K VGS VT 2 K VGS VT 2 L VDS |6 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן קו העומס: ב MOSFET-ההנחה היסודית היא שלא נכנס זרם ל.G- לכן. I R I D I S : מבחינת המתחים מפלי המתח מקיימים: VDD I D R VDS VDD . VR VDS VDD VDS R R נבודד את הזרם: . ID VDD R קיבלנו קו ליניארי עם שיפוע שלילי. זה הוא קו העומס של המעגל. לאחר שקבענו את הרכיבים במעגל הגדרנו למעשה קו עומס מסוים וכעת שינוי במתח VGSימקם אותנו על נקודה כלשהי בקו זה. נשים לב כי ניתן להגיע לתחומי הפעולה הליניארי או הרוויה של הטרנזיסטור. VDD מהפך עם עומס :Enhancement בשיעור שעבר ראינו את הזמנים האופייניים: 1 RC tr 2.2 1 t f 2.2 2 2 R ron C כמוכן ראינו כי . tTLH tTHL :בהספק סטטי ,על הנגד זורם זרם במצב שהטרנזיסטור מוליך. נניח שנרצה לחשב את הזרם העובר בנגד: V V . I D DD DD R ron R ההספק הסטטי הוא: 2 1 1 1 VDD . PS 0 I RVR 2 2 2 R היות ונגד הוא רכיב גדול ,ננצל את ההתנגדות של ה( MOSFET-פיזית הוא קטן יותר) ונעזר בו להחלפת הנגד .נחבר התקן נוסף הזהה לטרנזיסטור הראשון בכל .נסתכל על טרנזיסטור Q2ונכתוב את המשוואות הבאות: VGD2 0 , VGS VDS ההתקן תמיד נמצא ברוויה או קטעון מכיוון: VDS VGS VT כאשר( VGS 0 :היות ו VG -קבוע ניתן לשנות רק את VSלפי ) Voutנהיה בקיטעון. לעניין אפקט המצע ,אם אי אפשר לחשב ,נניח שהוא יגדיל את VTב.21%- |7 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן המתחים הם: VDS2 VDD VDS1 VDD Vout נייצג את קו העומס של טרנזיסטור Q2על האופיין של טרנזיסטור Q1 לפי הקשר . VGS VDS1 :כדי ש Q2 -יוליך נדרוש , VGS VT :כלומר. VDS1 VDD VT : אנו למעשה "מעקמים" את קו העומס כי הוא נקבע לפי ההתנגדות של העומס ,אשר במקרה שלנו משתנה לפי מצב הפעולה של ההתקן העליון . Q2זאת מכיוון שההתנגדות כעת היא ronשל Q2אשר ברוויה. למרות שראינו כי ronברוויה אינו משתנה כ"כ ,עדיין קיים תחום בו הוא משתנה מעט. כתוצאה מכך הקו מתעקם. הטרנזיסטור Q2נמצא בקיטעון מהנקודה Aוהלאה כי. VGS 2 VT : כאשר נוריד את המתח הטרנזיסטור יימצא ברוויה ואנו נהיה על הקו. נפריד את הניתוח לאזורים: אזור :1 כאשר Vi VT :ההתקן Q1בקיטעון ולכן I D 2 0 :וההתקן השני , Q2 ,גם בקיטעון. מתח היציאה הוא תמיד . Vout VDS1 :נסתכל במקרה ש , Vin VGS1 VT -ברגע זה בדיוק מתח המוצא הוא: באופן כללי המתח מוצא המירבי הוא. Vout VDD VT 2 VDD VT : במצב קיטעון נציין כי המתח המירבי שיכול להופיע ביציאה הוא VDD : . Vout VDD VDS 2 VDD VT Voutהיות ו. VGS 2 VT - אזור :2 כעת שני הטרנזיסטורים נמצאים באזור הרוויה .הזרמים הם I D1 I D 2 :ולכן. K1 VGS1 VT K 2 VGS 2 VT : 2 2 נשתמש בהנחה שמתחי הסף זהים אך נפריד את המידות הפיזיות K שלהם תחילה .נקבל את המשוואות: 2 K1 Vin VT K 2 VDD Vout VT 2 K1 Vin VT VDD Vout VT K2 K1 נסמן K R : K2 .נגזור את המשוואה לפי Vinונשווה לשיפוע 1ונמצא את הקשר הנדרש: Vout VDD VT K RVT K RVin קיבלנו קשר ליניארי .לפי האופיין ,בנקודה ' Aמתקיים . V1L VT :בקצה תחום זה מתקיים: VGS1 VT VDS1 Vin VT Vout קצה תחום IIהוא כשהטרנזיסטור Q1נכנס לאזור הליניארי .נציב את הקשר חזרה למשוואה: V K RVT Vin VT VDD VT K RVT K RVin Vin DD 1 KR זה הוא מתח הכניסה בנקודה ' . B מן הראוי לציין כי באזור זה ,בניגוד לאופיין ,VTCהקו הוא ליניארי ממש! ללא קירובים. |8 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן אזור :3 כעת Q1 :במצב ליניארי ו Q2 -ברוויה .נקבל את הקשר בין הזרמים: 2 K2 VDD Vout VT K1 2 Vin VT Vout Vout 2 נגזור ונשתמש בסימון K Rשראינו קודם: Vout V V K R2 2Vout Vin VT out 2Vout out Vin Vin Vin Vout עבור 1 : Vin 2 VDD Vout VT נקבל את התלות . V1H VinH f Vout :לאחר מכן נציב במשוואה המלאה לפני הנגזרת למציאת . V1H כעת נמצא את VoutLבחלק שבו: Vout VoutL , Vin VoutH VDD VT : 1 2 2 K R2 2 VoutH VT VoutL VoutL 2 2 VDD VoutL VT נשתמש בקירוב VoutL 2 VDD 2VT , VDD VT :ונקבל: 2 K R2 VDD 2VT VoutL 2 VDD VT VDD VT VoutL 2 K R2 VDD 2VT 2 חסרונות של המעגל: .0לא ניתן להגיע במוצא למתח הסף ,כי. VoutH VDD VT : .2השיפוע K Rמייצג מעבר עבה בין האזורים Iו .III-אנו רוצים להתקרב למדרגה וזה מהווה הגבלה. .3אפקט המצע מביא ל VT 1.2VT 0 -מה שמוריד עוד יותר את . VoutH יש חסרונות נוספים שנראה מיד.... זמני עלייה וירידה של המעגל: נניח ויש לנו עומס קיבולי במוצא המעגל . CLנקבל את משוואת הטעינה הבאה: t 1 I D1 t I D 2 t dt C0 Vout t VoutH כאשר . VoutH Vout t 0 :צריך לדאוג ש K1 K 2 -כדי שהטרנזיסטור Q1יצליח לפרוק את הקבל במוצא. נשתמש בשיטת הקירוב. בכניסת מדרגה המתח בנקודה ' Aקופץ למעלה (החץ האדום הראשון) ולאחר מכן מתייצב עד לנקודה .D אנו לא נרצה לבצע את האינטגרל הנ"ל ולכן נבצע ממוצע בין נקודת העלייה Bוהנקודה Dאשר נמצא בנקודה .C VGS 1 VoutH B C D E VDD VT 2 |9 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן זמן הפריקה הממוצע של הקבל הוא: I D1 B I D1 C I D1 E I D1 A 2 2 I HL כעת VoutH VDD VT , VoutL 0 :וכן Q2ברוויה . I D1 E K2 VDD Vout VT :נציב ונקבל: 2 V V 2 1 I D1 E K 2 VDD DD T VT K 2 VDD VT 2 4 2 באתר יופיע המשך הפיתוח וקבלת הביטוי הסופי. 5 2 לאחר הפיתוח עבור הפירוק הנוסף מקבלים. I LH K 2 VDD VT : 8 Q CVoutH 0.8C . tPLH זמן העלייה הוא: K 2 VDD VT I 2 I LH t t t המסקנה היא שמקבלים כי I LH I HL :ולכן - tP PLH PHL PLH :יש לנו חוסר סימטריה בין זמני העלייה והירידה. 2 2 זה הוא החיסרון הרביעי! 1 1 2 יש לנו בזבוז הספק סטטי הנובע מכך ש Q1 -במצב IV K 2 VDD VT VDD : L 2 2 .P עד כאן הרצאה .2תאריך25.3.12 : מהפך עם עומס מסוג :depletion נזכור כי ההבדל המהותי בין ה depletion-ל enhancement-הוא במתח הסף. VT 0 : נסתכל על , Q2מתקיים VGS 0 VT :ולכן הוא תמיד מוליך. נחלק את המגבר לאזורי פעולה: .i .ii .iii .iv Q1 Q1 Q1 Q1 בקיטעון Q2 ,ליניארי. ברוויה Q2 ,ליניארי. ברוויה Q2 ,ברוויה. ליניארי Q2 ,ברוויה. המתח המוצא המירבי הוא VOH VDD :מכיוון ש VGS 0 -ואז. VDS VDD VOH VGS VT VOH VDD VT : היות ו , VT 0 -הרי שלא ייתכן כי VOH VDDולכן מקבלים. VOH VDD : לגבי : VOLמתח הכניסה המירבי הוא Vin VOH :ומתח היציאה במקרה זה הוא. Vout VOL : נבצע את אותו הטריק כפי שעשינו בשיעור קודם – נשווה את הזרמים ונקבל את הקשר הרצוי: 2 2 K 2 0 VT K1 2 VDD VT VOL VOL dep enh סימנו את מתח הסף בסוג זה VT VT VT :והצבנו ישירות. 1 2 נקבל בסוף 2 VOH VT VOL 2 VT2 0 : . VOLכאשר נפתור משוואה ריבועית נמצא את הביטוי ל... VOL - KR | 11 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן השהיות במעגל: כדי למדוד את ההשהיות מחברים קבל ביציאה ומודדים את הזמן שלוקח לו להיטען עד ל 51%-מערכו המירבי. כדי לבצע זאת נעזרנו בזרם הממוצע: VOH VOL I D1 2 הזמנים המתקבלים הם: 2 CVDD CVDD 2 I LH 2 K1 VT 2 , tPLH 2 VOH VOL I D2 2 1 V VOL I D1 VOH I D1 OH 2 2 1 V VOL 2 I D 2 VOL I D 2 OH K 2VT 2 2 CVDD CVDD . t PHL 2 I HL 2 K V V DD T1 I HL I LH 1 שבגלל אפקט המצע. VT2 VT : tPHL t PLH t PLH זמן ההשהייה הממוצע הוא: 2 2 . tP VDD דוגמא: המעגל הבא מייצג שער NORכי . y A B :ניתן לראות זאת לפי הגרף המצורף. כאשר שתי הכניסות הן 1הטרנזיסטורים שלהם בקיטעון ולכן המתח במוצא הוא VDD השווה ל 0-לוגי .כאשר אחת מהכניסות היא 0לוגי אז ההתקן שלו מוליך ומתח המוצא יורד. כאשר שני ההתקנים פועלים (שתי הכניסות במצב 0לוגי) מתח המוצא יורד עד ל. VOL - y A B "VOH A and B "0 "A or B "1 "A and B "1 V VDD OL W L y A B לעומת זאת המעגל הבא מייצג שער . y A B :NAND ש ֵקל" את ההתקנים ,ז"א ,לתכנן אותם עם מידות שונות כמתואר. נצטרך "למ ְ כדי להקטין מתח פי 2יש להגדיל את קיבולת הזרם שלהם פי .2 W לכן נגדיל את יחס מידותיהם פי . L 2 K 2 I 2 V 2 .2 W 2 L A W 2 L B מסקנה :כשיש שערים במקביל ,יש לשמור על מידות זהות וכשהם בטור יש להגדילם פי .2 שערי :CMOS הרעיון המרכזי הוא תמיד להשתמש בטרנזיסטור מסוג NMOSואחר מסוג .PMOS נפתח במצבים הבסיסיים ונשתכנע תחילה שאכן מדובר במהפך. PMOS: מעתה המרצה תסמן לפי הסמלים הבאים: עקב אי-קיום הצורות הנ"ל ב Visio-אשתמש בסימונים המצוינים לידם .עמכם הסליחה. | 11 NMOS: מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן לעניין אפקט מצע – אין לנו אותו כי ההתקן העליון – - PMOSאשר בו מחובר ה Body-ל VDD -וכפי שראינו בעבר ,מבטל את קיום אפקט המצע .באותו האופן ,בהתקן התחתון ה Body-מחובר לאדמה ובכך מבטל את קיום אפקט המצע. עקרון הפעולה: .0במצב: Vin VDD : : QN - VGSN VDD VTהולכה .הוא יהיה ליניארי כי נצפה שמתח המוצא יהיה נמוך. 0 VT : QP - Vקיטעון. P GS .2במצב: Vin 0 : : QN 0 VT : QP VDD VT - Vקיטעון. N GS - Vהולכה ,ליניארי (מאותה הסיבה). P GS נמצא את התנגדויות המוצא: 1 I 1 1 N D rDSוכן: נזכור כי הדרך היא לפי: 2 K p VDD VT V 2 K V V n DD T DS (ההתנגדות מחושבת לזרם במצב הליניארי) .ניתן לראות כי יש כאן סימטריה. מטרתנו היא להגיע ל . K n K p -זה לא יקרה לא משום שקיימת בעיה בתכנון המידות אלא בקביעת המוביליות מכיוון שn p - P . rDS תמיד (תכונה פיזיקלית) ולכן לא נצליח בקלות להגיע ל . K n K p -בתעשייה עושים מאמצים כדי לפצות על כך. נדרוש גם. VTN VTP VT : האופיין:VTC : הזרמים באופן כללי הם: linear טווח המתחים הוא. VOH VDD , VOL 0 : נמצא את : VIH הזרמים בנקודת העבודה הם: 2 K n 2 Vin VT Vout Vout linear 2 K n Vin VT sat. K 2 V V V V V V V 2 DD in T DD out DD out p 2 K p VDD Vin VT sat. 2 iDN K 2 Vin VT Vout Vout 2 iDP K VDD Vin VT 2 נדרוש iDN iDP :ונקבל K VDD Vin VT : . K 2 Vin VT Vout Vout 2 Vout V V 2VT out 2Vout out 2 VDD Vin VT : נגזור לפי: Vin Vin Vin Vin Vout עבור Vin VIH :ו 1- נקבל 2Vout 2VIH 2VT 2Vout 2 VDD VIH VT :או: Vin . 2Vout 2Vin | 12 1 . Vout VIH VDD 2 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן iDn iDp 2 1 1 2 נציב זאת במשוואה הראשונה ונקבל. 2 VIH VT VIH VDD VIH VDD VDD VIH VT : 2 2 1 בסוף. VIH 5VDD 2VT : 8 נשתמש בסימטריה ,ההתקנים זהים ולכן המרחק של הנקודה של השיפוע -0ביחס למרכז שווה למרחקה מ. VIL - 1 1 1 נקבל VIH VDD VDD VIL :או. VIL 3VDD 2VT : 8 2 2 1 שולי הרעש 3VDD 2VT NM L NM H : 8 . NM L VIL VOL התנהגות דינמית: זמני העלייה והירידה זהים לחלוטין. tPHL tPLH : נחשב עבור . H L :כאשר מחברים קבל ומעבירים פולס ריבועי נקבל את השינוי בנקודת העבודה לפי המתואר: Q C V C VDD VDD VT 2 בקטע FEהטרנזיסטור ברוויה I D K VDD VT :כאשר . VDD Vin :לכן: 2 I I K VDD VT . t PHL1 בקטע FMנקבל: 3V 4VT C 2 dt CdVout tPHL2 K 2 VDD VT Vout Vout ln DD 2 K VDD VT VDD | 13 dVout dt . iDN C מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן כעת. tPHL tPHL1 tPHL2 : 0.8C נניח VT 0.2VDD :ונקבל: KVDD . t PHL משפט מילר. CT 2 CGD1 CGD2 CDB1 CDB 2 CW CG 3 CG 4 : VDD שערי :CMOS PUN נדון במערכת כללית הבנויה לפי המודל הבא: PDN כאשר PUN=Pull Up Network :ו.PDN = Pull Down Network- הרשת העליונה תבנה מ PMOS-והרשת התחתונה תבנה מ.NMOS- דוגמא פשוטה למערכת הבנויה משני חלקים אלו: רשת תחתונה: איור א' ניתן לראות כי לפי הלוגיקה שהכרנו עד כה שתי המערכות הללו לא יכולות להתחבר יחדיו היות והן לא מייצגות את אותה הפונקציה הבוליאנית. רשת עליונה: y A B 1 פונקצית היציאה אינה אותו השער. VDD B 1 B A אם נחבר את הטרנזיסטורים של הרשת העליונה בטור נקבל הצגה של אותה הפונקציה( .איור ב'). לפי כללי דה-מורגן. A B A B : נזכור גם להתחשב במשקלים של מידות ההתקנים כאשר הם בטור כפי שמצוין בסרטוטים. A y A B איור ב' VDD נציין כי צורת תיכנון זו לקויה מכיוון שעבור nכניסות יש צורך ב 2n -טרנזיסטורים. 2 איור ג' – המעגל השלם VDD y B 2 y A B רשת תחתונה: VDD 1 3 A A 2 y A B 3 2 D 2 2 A B C C 3 D 3/2 B 1 B y | 14 B 2 נסתכל על המעגל הבא ונתבונן באופן חלוקת המידות לפי החוקיות שראינו: רשת עליונה: A מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 1 A כפי שצוין קודם ,החיסרון המרכזי הוא עבור nכניסות יש צורך ב 2n -טרנזיסטורים – הרבה סיליקון. אחד הפתרונות הוא Pseudo-NMOS :כמתואר: לוקחים טרנזיסטור Pומחברים את השער לאדמה ,אין אפקט מצע. פתרון :Pseudo NMOS כעת יש לנו n 1טרנזיסטורים . VDD הטכנולוגיה הזו עדיפה כשיש הרבה כניסות והמוצא לרוב "."0 פיזור הספק במגבר :CMOS y PDN n entries במצבים שאחד הטרנזיסטורים בקיטעון פיזור ההספק הסטטי הוא אפס. Pstatic 0 : 2 Cומהדרגה השנייה אנו מרגישים את: משפט מילר המתייחס לקיבולים במעגל. CT 2 CGD1 CGD2 CDB1 CDB 2 CW CG 3 CG 4 : מהדרגה הראשונה אני מרגישים את הקיבולים CGD2 CDB1 CDB 2 : GD1 . CG 3 CG 4 הקיבול CW :הוא של הקו המקשר בין הדרגות. VDD נתבונן במעגל הבא: השתמשנו ב .NMOS-מחברים את ה Body-לאדמה כך שאין אפקט מצע. Vout Vin ננתח מצבי פעולה: מצב ראשון Vin VDD :נקבל את הגרפים הבאים: VDD iD iD Vout S D VGS VDD Vout Vout VDD VT כאשר מתח הכניסה מחובר ל VDD -הזרם זורם מהכניסה Dכלפי Sוטוען את הקבל .לכן הגרף הראשון תלוי ישירות בVGS - אשר אחראי לגודל הזרם . iDהיות ומתקיים VGS VDD Vout :ניתן למשוך את הגרף השני .בגרף זה רואים כי הזרם יורד לאפס כאשר Vout VDD VTמסיבות ברורות. | 15 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן מצב שני Vin 0 :נקבל את הגרף הבא: VDD iD Vout D כעת הזרם זורם בכיוון ההפוך בתוך הטרנזיסטור ולכן הכניסות התחלפו .הגרף מתאר את אופן התפרקות הקבל. בתחילה מתח היציאה הוא 0לוגי (כי הורדנו את מתח הכניסה לאפס לאחר שהוא היה למעלה מספיק זמן) ולכן קיים זרם גדול .לאחר מכן הקבל מתפרק והזרם יורד עד לאפס. S Vout זמני הטעינה והפריקה של הקבל: במצב הראשון הקבל נטען (הזרם הולך ופוחת) ובמצב השני הקבל נפקד (הזרם גדל עד לרוויה). במצב השני אנו מתחילים מרוויה והולכים לאורך העקומה (כיוון החץ) ,לכן התלות במתח חזקה יותר ולכן ירידת המתח על הקבל חזקה יותר ,דבר שיגרום לזמן פריקה קצר יותר . t PHL Vout נחליף לטרנזיסטור :PMOS (מחברים את ה Body-למתח - VDDלא מסורטט במעגל). כאשר Vin VDDנקבל: כאשר Vin 0נקבל: iD iD Vout t Vout Vin Vout Vout t VT מצב הטעינה הוא נמוך ,הזרם מתחיל מרוויה וקטן באופן איטי .מצב הפריקה הוא מהיר ,הזרם דועך מהר. למצב הטעינה מקובל לקרוא "Good 1" :ולמצב הפריקה."Poor 0" : בחיבור עם NMOSהשמות משתנים. נסכם בטבלה הבאה: ""0 Good Poor ""1 Poor Good טרנזיסטור NMOS PMOS עד כאן הרצאה .3תאריך1.4.12 : | 16 מעגלים אלקטרונים ספרתיים -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן