Digital CMOS VDD A Y INF1400 Y=1 A=0 A=1 Y=0. g=0 g=1. nmos. g=0 g=1. pmos. 3. En positiv strøm (strømretning) vil for en nmos transistor

Transkript

1 igitl MOS INF4 NGVR ERG efinijon v inære verier:. Logik V. 2. Logik V SS, GN. I. Trnitor om ryter 3. En poitiv trøm (trømretning) vil for en pmos trnitor llti gå fr ource til rin. II. MOS Inverter. nmos trnitor V nmos g g= g= Fig.. nmos trnitor om ryter. En nmos trnitor om ryter er vit i Fig., trnitoren tre terminler er gte (inngng), ource og rin. En nmos trnitor kn etrkte om en ryter; vhengig v inngng (gte) vil et kunne gå trøm mellom rin og ource. Når inngngen er går et ingen trøm mellom rin og ource, og vi ier t trnitoren er V. Når inngngen er kn et gå trøm mellom rin og ource, og vi ier t trnitoren er På. Konvenjoner:. en v rin og ource terminlene på en nmos trnitor om hr lvet penning klle ource. 2. en v rin og ource terminlene på en nmos trnitor om hr høyet penning klle rin. 3. En poitiv trøm (trømretning) vil for en nmos trnitor llti gå fr rin til ource.. pmos trnitor pmos g g= g= Fig. 3. GN Inverter kjemtikk. erom vi etter en pmos- og en nmos trnitor mmen og koler til penningrefernene V og V SS (GN) får vi en MOS inverter om vit i Fig. 3. MOS teknologi er grunnleggene inverterene, v. erom mn ruker pmos trnitorer mellom en utgng på en port og logik (V ), og tilvrene nmos trnitorer mellom utgngen og logik (V SS), vil utgngen nne en inverterene funkjon. Vi får typik inverter, NN, NOR eller generelle oolke funkjoner på formen = ( + ). V Fig. 2. pmos trnitor om ryter. En pmos trnitor om ryter er vit i Fig. 2. Trnitoren tre terminler er gte (inngng), ource og rin. Når inngngen er logik kn et gå trøm mellom ource og rin, og vi ier t trnitoren er På. Når inngngen er logik går et ingen trøm mellom ource og rin, og vi ier t trnitoren er V. = = = = Konvenjoner:. en v rin og ource terminlene påen pmos trnitor om hr høyet penning klle ource. 2. en v rin og ource terminlene på en pmos trnitor om hr lvet penning klle rin. GN Fig. 4. Inverter kjemtikk og nnhettell. Som vit i Fig. 4 vil utgngen på en inverter være når inngngen er, og utgngen vil være når inngngen er.

2 Fig. 5. Inverter ymol. Symolet for en MOS inverter er vit i Fig. 5. III. MOS trnitorer Integrerte trnitorer i MOS teknologi klle MOSFET, om tår for Metl On Semiconuctor Fiel Effect Trnitor. I moerne MOS proeer er et llti polyiliium iteet for metll om former gten. rin + Gte = p Gte = ulk (Sutrt) rin V Polyiliium Gte O2 rin Fig p ulk (Sutrt) Tverrnitt v nmos trnitorer om er V og. Fig p ulk (Sutrt) Tverrnitt v nmos trnitor. Tverrnitt v en nmos trnitor er vit i Fig. 6. Vi kller trnitoren nmos fori ource og rin terminlene er kolet til n-type iliium. ie områene klle for iffujon og er v type, v. krftig opet me et tort ntll frie elektroner. iffujonområene ligger i en vkt opet iliium hlvleer om klle utrt. Mellom gten og p-utrt er et et iolerene jikt (O 2) om eprerer gten fr utrt lik t et ikke kl gå trøm mellom gte og utrt. IV. Tvernitt v MOS Inverter Metll O2 p+ iffujon n+ iffujon Polyiliium GN Utgng V n-rønn p-utrt nmos trnitor pmos trnitor Fig. 9. Tverrnitt v MOS inverter. Polyiliium Gte O2 rin erom vi etter mmen en nmos og en pmos trnitor og koler mmen gte terminlene og rin terminlene på e to trnitorene, og koler ource på nmos trnitoren til GN og ource på pmos trnitoren til V får vi en inverter. Tvernittet v en inverter er vit i Fig. 9. n ulk (Sutrt) Fig. 7. Tverrnitt v pmos trnitor. Tverrnitt v en pmos trnitor er vit i Fig. 7. Vi kller trnitoren pmos fori ource og rin terminlene er kolet til p-type iliium. ie områene klle for iffujon og er v type, v. krftig opet me et tort ntll frie hull. Tverrnitt v nmos trnitorer om er V og er vit i Fig. 8. Ve å ette på en poitiv penning, v. logik, på gte terminlen vil elektroner tiltrekke overflten på hlvleeren og invertere p-utrt til n+ utrt. 2

3 V. Introukjon til utleggregler w 2 w2 w p wp Metll Metll 2 iffujon Polyiliium m mp mm2 Metll iffujon kontkt Metll polyiliium kontkt Metll metll 2 vi kontkt Fig. 2. Proeorer me millioner v trnitorer. Fig.. Utleggregler. Noen entrle minimumvtner og ørreler er vit i Fig.. Ulike MOS proeer vil h forkjellige utleggregler. et er lik t moerne proeer tillter generelt minre vtner og trukturer enn elre proeer. ette kommer v frmkritt i proeteknologien. Årken til t mn krever en vi vtn mellom ulike ignlførene noer, for ekempel vtn mellom metlleere, er fre for elektrik interferen (crotlk) mellom ignler om ikke kl påvirke v hvernre. et er llti en vveining mellom vtner, v. rel, og elektrik interferen. V po Fig. 3. hip n utrt (rønn) Fig.. pp+ nn+ GN po p utrt Noen utleggregler for inverter. Noen entrle regler for vtner og tørreler i tilknytning til en inverter er vit i Fig.. I ette ekemplet hr vi et ptype utrt og ntype rønn. et er vnlig i igitl MOS å enytte minimumtørreler på ulike trukturer, typik trnitorer. ette mefører en gevint i reuert rel, men ogå vil meføre t kretene vil h liten tiforinkele. Liten tiforinkele gir rke kreter om kn fungere me vært høye klokkefrekvener. I Fig. 2 er et vit en chip om etår v 4 proeorer. Hver proeor hr mnge millioner trnitorer. Størrelen på chippen er liten om vit i Fig. 3. Ve proukjon lir et lget mnge like chipper på en wfer om vit i Fig. 4. Kotnen for en chip kn være å lv om ollr. VI. NN port. Opptrekk og netrekk i MOS porter En port me opptrekknettverk og netrekknettverk er vit i Fig. 5. Vi efinerer et opp- eller netrekk om erom et finne en trømvei (ignlvei) mellom utgngen og en penningreferne, V () eller GN (). Me nre or et netrekk er erom et finne en erie (kjee) v nmos trnitorer om lle er og om foriner utgngen me GN. I mottt tilfelle er netrekket V. For et opptrekk om er finne et en erie (kjee) v pmos trnitorer om lle er og om foriner utgngen me V. I mottt tilfelle er opptrekket V. En kjee v trnitorer i et nettverk kn etå v en eller flere trnitorer. I komplementær MOS logikk (ttik MOS) vil llti en og re en v opptrekk- og netrekknettverkene være på. Skjemtik fremtilling v en to-inngng MOS NN port (NN2) er vit i Fig. 6. en logike funkjonen er =. Opptrekket etår v to pmos trnitorer i prllell og netrekket v to nmos trnitorer i erie. For t utgngen kl kunne trekke til logik må egge nmos trnitorene være på, v. inngngene og må egge være logik. et er tiltrekkelig t en v inngngene er logik for å trekke utgngen til logik. Vi ier t netrekket og opptrekket er komplementære, v. en ene utelukker en nre. Som vit i Fig. 7 er et enkelt å utvie en to-inngng NN port til en tre-inngng NN port (NN3) om er efinert om =. Symolet for en NN port me to inngnger er vit i Fig. 8. 3

4 netrekk opptrekk V V V V Fig. 4. Proukjon v chipper. Fig. 6. To-inngng NN port (NN2) kjemtikk og nnhettell. pmos opptrekknettverk Inngnger Utgng nmos netrekknettverk Fig. 7. Tre-inngng NN port (NN3) kjemtikk. Fig. 5. Generell logik port me opptrekk etåene v pmos trnitorer og netrekk etåene v nmos trnitorer. VII. Komintorik logikk en generelle komintorike porten i Fig. 5 vil enten trekke utgngen til eller vhengig v inngngignlene. erom opptrekket og netrekket ikke vr komplementære kn et forekomme tilfeller er hverken opptrekket eller netrekket er på, eller t egge er på.. Serie- og prllellkoling v trnitorer Ulike tiltner for to eriekolete nmos trnitorer er vit i Fig. 9. egge trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g = = og vil meføre t =. For øvrige inngngverier vil et ikke kunne gå trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (GN) hr vi t = = når g = = eller g =, om tilvrer NN. Ulike tiltner for to eriekolete pmos trnitorer er vit i Fig. 2. egge trnitorene må være å for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g = = og ette vil meføre t =. For øvrige inngngverier vil et ikke kunne gå trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (V ) hr vi t = = når g = = eller g+ =, om tilvrer NOR. Ulike tiltner for to prllellkolete nmos trnitorer er vit i Fig. 2. Mint en v trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g + = og vil meøre t =. For øvrige inngngverier, v. g = = eller g + =, vil et ikke kunne gå trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (GN) lir = = når g + =. Ulike tiltner for to prllellkolete pmos trnitorer er vit i Fig. 22. Mint en v trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g = og ette vil meføre t =. For øvrige inngngverier, v. g = = eller g =, vil et ikke kunne gå trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (V ) hr vi t = = når g =. Komplementære opptrekk og netrekk etåene v henholvi to pmos- og to nmos trnitorer, og inngngene og, vil være:. om tilvrer to prllellkolete pmos trnitorer om er på, ve t mint en v inngngene er, og to eriekolete nmos trnitorer om er på, ve t egge inngngene er. Vi kller utgngen og inngngene og, og før = eller =. ette tilvrer en NN funkjon og om tilvrer to eriekolete pmos trnitorer om er på, ve t egge inngngene er, og to prllellkolete nmos trnitorer om er på, ve t mint en v inngngene er. Vi kller utgngen og inngngene og, og før = + eller = +. ette tilvrer en NOR funkjon. 4

5 Fig. 8. Symol for NN port me to inngnger. g = g Fig. 2. = V V V Seriekoling v pmos trnitorer. V V V Fig. 9. Seriekoling v nmos trnitorer. g VIII. NOR port Skjemtikk for en MOS NOR port er vit i Fig. 23. en logike funkjonen er = +. Opptrekket etår v to pmos trnitorer i erie og netrekket etår v to nmos trnitorer i prllell. For t utgngen kl kunne trekke til logik må egge pmos trnitorene være på, v. inngngene og må være logik. et er tiltrekkelig t en v inngngene er logik for å trekke utgngen til logik. Vi er t netrekket og opptrekket er komlementære. Symolet for en NOR2 port me to inngnger er vit i Fig. 24. V Fig. 2. = = = Prllellkoling v nmos trnitorer. IX. Komplementær logikk Et ekempel på en oolk funkjon implementert ve hjelp v en komplementær MOS port kn uttrykke på formen = ( ) + ( ). Netrekket vil etå v nmos trnitorer og vi hr t re kn li når ( ) + ( ) =. ette forutetter t eller er på. Vi er t netrekket etår v to grener me eriekolete nmos trnitorer, v. to trnitorer me inngnger henholvi og i erie, og to trnitorer me inngnger henholvi og i erie. I Fig. 25 er netrekket vit. Opptrekket vil etå v pmos trnitorer og vi hr t re kn li når ( ) + ( ) =. ette forutetter t og/eller ( = ) og og/eller ( = ) er (på). Vi er t opptrekket etår v to grener me prllellkolete pmos trnitorer, v. to trnitorer me inngnger og i prllell, og to trnitorer me inngnger og i prllell. Til lutt må ie to prllellgrenene ette i erie lik t forutetningen for opptrekket lir oppfylt. I Fig. 26 er opptrekket vit. en fulltenige komplementære MOS kreten om implementerer funkjonen = ( ) + ( ) er vit i Fig

6 g = = = V Fig. 22. Prllellkoling v pmos trnitorer. Fig. 23. To-inngng NOR port kjemtikk og nnhettell. Fig. 27. Komplementær MOS port for funkjonen = ( ) + ( ). Fig. 24. Symol for NOR2 port me to inngnger. Fig. 25. Netrekket for funkjonen = ( ) + ( ). Fig. 26. Opptrekket for funkjonen = ( ) + ( ). 6

7 X. Oppgver. 4 input NN Tegn kjemtikk for en 4 input NN gte.. 3 input NOR Tegn kjemtikk for en 3 input NOR gte.. oolk funkjon Tegn kjemtikk for funkjonen = + ( ).. oolk funkjon Tegn kjemtikk for funkjonen = ( ) + ( ). E. oolk funkjon Tegn kjemtikk for funkjonen = ( + ) + ( ). F. oolk funkjon Tegn kjemtikk for funkjonen = ( + ) ( + ). G. oolk funkjon Tegn kjemtikk for funkjonen = ( ) ( ) + E. 7