TRANSISTOR SOM BRYTER anvendt i enkle logiske CMOS

Transkript

1 el : Grunnleggene igitl CMO NGVR ERG I. Innhol. pmo trnitor TRNITOR OM RTER nvent i enkle logike CMO porter. erie- og prllellkoling v nno- og pmo trnitorer. Inverter, NN, NOR og generelle porter. Komple- mentær CMO me opptrekk og netrekk. erie- og prllellkoling v nmo- og pmo trnitorer. P trnitorer og pmo g g= g= trnmijonporter. Tritte uffer og tritte inverter. Ulike typer multiplekere, ltcher og vipper. lle henvininger til figurer er relevnt for Wete & Hrri []. Fig. 2. pmo trnitor om ryter.(fig.). Innhol. 2. Trnitor om ryter. Kpittel.3 ie CMO inverter. Kpittel.4. ie NN port. Kpittel.4.2 ie Komintorik logikk. Kpittel.4.3 ie NOR port. Kpittel.4.4 ie. 7. Komplementær logikk. Kpittel.4.5 ie P trnitorer og trnmijonporter Kpittel.4.6 ie Tritte. Kpittel.4.7 ie Multiplekere. Kpittel.4.8 ie Ltcher. Kpittel.4.9. ie Vipper. Kpittel ie 7-9. II. Trnitor om ryter (Kpittel.3 ie 8) efinijoner:. Logik V. 2. Logik V, GN.. nmo trnitor En pmo 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 på en pmo trnitor om hr høyet penning klle ource. 2. en v rin og ource terminlene på en pmo trnitor om hr lvet penning klle rin. 3. En poitiv trøm (trømretning) vil for en pmo trnitor llti gå fr ource til rin. C. Mål Fortå nmo- og pmo trnitorer om rytere, mt terminlpleringer på trnitorene og poitiv trømretninger.. Notter nmo g g= g= Fig.. nmo trnitor om ryter.(fig.) En nmo trnitor om ryter er vit i Fig., trnitoren tre terminler er gte (inngng), ource og rin. En nmo 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 nmo trnitor om hr lvet penning klle ource. 2. en v rin og ource terminlene på en nmo trnitor om hr høyet penning klle rin. 3. En poitiv trøm (trømretning) vil for en nmo trnitor llti gå fr rin til ource.

2 III. CMO Inverter (Kpittel.4. ie 9) Fig. 5. Inverter ymol.(fig.) ymolet for en CMO inverter er vit i Fig. 5. V. Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer om rytere fungerer i en CMO inverter.. Notter GN Fig. 3. Inverter kjemtikk.(fig.) erom vi etter en pmo- og en nmo trnitor mmen og koler til penningrefernene V og V (GN) får vi en CMO inverter om vit i Fig. 3. CMO teknologi er grunnleggene inverterene, v. erom mn ruker pmo trnitorer mellom en utgng på en port og logik (V ), og tilvrene nmo trnitorer mellom utgngen og logik (V ), vil utgngen nne en inverterene funkjon. Vi får typik inverter, NN, NOR eller generelle oolke funkjoner på formen = ( + C). V = = = = GN Fig. 4..) Inverter kjemtikk og nnhettell.(fig. og Tell om vit i Fig. 4 vil utgngen på en inverter være når inngngen er, og utgngen vil være når inngngen er. 2

3 IV. NN port (Kpittel.4.2 ie 9). Opptrekk og netrekk i CMO porter 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. Inngnger pmo opptrekknettverk Utgng C nmo netrekknettverk Fig. 8. Tre-inngng NN port (NN3) kjemtikk.(fig.3) Fig. 6. Generell logik port me opptrekk etåene v pmo trnitorer og netrekk etåene v nmo trnitorer.(fig.4) En port me opptrekknettverk og netrekknettverk er vit i Fig. 6. Vi efinerer et opp- eller netrekk om på erom et finne en trømvei (ignlvei) mellom utgngen og en penningreferne. Me nre or et netrekk er på erom et finne en erie (kjee) v nmo trnitorer om lle er på og om foriner utgngen me V. I mottt tilfelle er netrekket v. For et opptrekk om er på finne et en erie (kjee) v pmo trnitorer om lle er på 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 CMO logikk (ttik CMO) vil llti en og re en v opptrekk- og netrekknettverkene være på. Fig. 9. ymol for NN port me to inngnger.(fig.2) om vit i Fig. 8 er et enkelt å utvie en to-inngng NN port til en tre-inngng NN port (NN3). ymolet for en NN port me to inngnger er vit i Fig. 9.. Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer om rytere fungerer i NN porter. kille opptrekk fr netrekk i en generell komplementær CMO port. C. Notter netrekk opptrekk V PÅ V PÅ V PÅ PÅ V Fig. 7. To-inngng NN port (NN2) kjemtikk og nnhettell.(fig.2 og Tle.2) kjemtik fremtilling v en to-inngng CMO NN port (NN2) er vit i Fig. 7. en logike funkjonen er =. Opptrekket etår v to pmo trnitorer i prllell og netrekket v to nmo trnitorer i erie. For t utgngen kl kunne trekke til logik må egge nmo trnitorene være på, v. inngngene og må egge være logik. 3

4 V. Komintorik logikk (Kpittel.4.3 ie 9 - ) g g2 opptrekk V opptrekk PÅ netrekk V Z netrekk PÅ X (crowrre) TLE I Utgngtiltner for en CMO port. = = = en generelle komintorike porten i Fig. 6 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. I tell I er lle mulige utgngtiltner for en CMO port vit. I tilfellet er hverken opptrekket eller netrekket er på vil utgngen ikke være revet v porten, vi kller enne tiltnen høyimpent Z. I tilfeller er åe opptrekket og netrekket er på får vi uefinert utgng X (crowrre).. erie- og prllellkoling v trnitorer V PÅ PÅ PÅ Fig. 2. Prllellkoling v nmo trnitorer.(fig.5c) nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g + g2 = og vil meføre t =. For øvrige inngngverier, v. g = g2 = eller g + g2 =, vil et ikke kunne gå en trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (GN) lir = = når g + g2 =. = g g g2 g2 V V V PÅ Fig.. eriekoling v nmo trnitorer.(fig.5) Ulike tiltner for to eriekolete nmo trnitorer er vit i Fig.. egge trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g = g2 = og vil meføre t =. For øvrige inngngverier vil et ikke kunne gå en trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (GN) hr vi t = = når g = g2 = eller g g2 =. g g2 = PÅ V V V Fig.. eriekoling v pmo trnitorer.(fig.5) Ulike tiltner for to eriekolete pmo trnitorer er vit i Fig.. egge trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g = g2 = og ette vil meføre t =. For øvrige inngngverier vil et ikke kunne gå en trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (V ) hr vi t = = når g = g2 = eller g + g2 =. Ulike tiltner for to prllellkolete nmo trnitorer er vit i Fig. 2. Mint en v trnitorene må være på for t = = = PÅ PÅ PÅ V Fig. 3. Prllellkoling v pmo trnitorer.(fig.5) Ulike tiltner for to prllellkolete pmo trnitorer er vit i Fig. 3. Mint en v trnitorene må være på for t nettverket etåene v e to trnitorene kl være på. ette tilvrer inngngignler g g2 = og ette vil meføre t =. For øvrige inngngverier, v. g = g2 = eller g g2 =, vil et ikke kunne gå en trøm mellom og og nettverket er v. Vi er t erom = (V ) hr vi t = = når g g2 =. Komplementære opptrekk og netrekk etåene v henholvi to pmo- og to nmo trnitorer, og inngngene og, vil være:. om tilvrer to prllellkolete pmo trnitorer om er på, ve t mint en v inngngene er, og to eriekolete nmo trnitorer om er på, ve t egge inngngene er. Vi kller utgngen og inngngene og, og får = eller =. ette tilvrer en NN funkjon og om tilvrer to eriekolete pmo trnitorer om er på, ve t egge inngngene er, og to prllellkolete nmo trnitorer om er på, ve t mint en v inngngene er. Vi kller utgngen og inngngene og, og får = + eller = +. ette tilvrer en NOR funkjon. 4

5 . Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer om rytere i eriekoling og prlellkoling virker og hvorn komplementære opp- og netrekk kn ygge opp. C. Notter VI. NOR port (Kpittel.4.4 ie ) Fig. 4. To-inngng NOR port kjemtikk og nnhettell.(fig.6 og Tle.4) kjemtikk for en CMO NOR port er vit i Fig. 4. en logike funkjonen er = +. Opptrekket etår v to pmo trnitorer i erie og netrekket etår v to nmo trnitorer i prllell. For t utgngen kl kunne trekke til logik må egge pmo 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. Fig. 5. ymol for NOR2 port me to inngnger.(fig.6) ymolet for en NOR2 port me to inngnger er vit i Fig. 5.. Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer om rytere fungerer i NOR porter.. Notter 5

6 VII. Komplementær logikk (Compoun gte) (Kpittel.4.5 ie - 2). Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer kl nvene for implementjon v en komplementær CMO port. C C. Notter Fig. 6. Netrekket for funkjonen = ( ) + (C ).(FIG.8 og ) Et ekempel på en oolk funkjon implementert ve hjelp v en komplementær CMO port kn uttrykke på formen = ( ) + (C ). Netrekket vil etå v nmo trnitorer og vi hr t re kn li når ( ) + (C ) =. ette forutetter t eller C er på. Vi er t netrekket etår v to grener me eriekolete nmo trnitorer, v. to trnitorer me inngnger henholvi og i erie, og to trnitorer me inngnger henholvi C og i erie. I Fig. 6 er netrekket vit. C C Fig. 7. Opptrekket for funkjonen = ( ) + (C ).(FIG.8c og ) Opptrekket vil etå v pmo trnitorer og vi hr t re kn li når ( ) + (C ) =. ette forutetter t og/eller ( = ) og C og/eller (C = ) er på. Vi er t opptrekket etår v to grener me prllellkolete pmo trnitorer, v. to trnitorer me inngnger og i prllell, og to trnitorer me inngnger C og i prllell. Til lutt må ie to prllellgrenene ette i erie lik t forutetningen for opptrekket lir oppfylt. I Fig. 7 er opptrekket vit. C C Fig. 8. Komplementær CMO port for funkjonen = ( ) + (C ).(FIG.8e) en fulltenige komplementære CMO kreten om implementerer funkjonen = ( ) + (C ) er vit i Fig. 8. 6

7 VIII. P trnitorer og trnmijonporter (Kpittel.4.6 ie 2-4). P trnitorer tyrken til et ignl er et mål på hvor nær ignlet er en penningreferne, vnligvi (V ) eller (V eller GN). g= g g g= (terk ) (terk ) g= Fig. 2. Trnmijonport. (FIG.2, og c). g etyr g invertert, v. g = g. g= (terk ) g g (egrert ) Fig. 9. nmo p trnitor. (FIG.2 og c) et er vnlig å kole nmo trnitorer me ource til. ette kyle t nmo trnitorer er effektive til å trnmittere logik. Vi ier t en logik trnmittere gjennom en nmo trnitor me tor tyrke, v, en logik trnmittere fr ource på en nmo trnitor til en like terk på rin terminlen. erom en logik kl trnmittere gjennom en nmo trnitor, v. fr rin til ource, vil vi få en vk eller egrert logik på ource terminlen. ette kyle elektrike egenkper i nmo trnitoren. Trnmijonegenkper til nmo trnitoren er vit i Fig. 9. g= g= (terk ) g g g g g Fig. 22. Trnmijonport ymoler. (FIG.2) ymoler for trnmijonporter i CMO er vit i Fig. 22. C. Mål Fortå hvorn nmo- og pmo trnitorer kl nvene for implementjon v en trnmijonport.. Notter g (egrert ) Fig. 2. pmo p trnitor. (FIG.2 og f) For en pmo trnitor er et omvent. et er vnlig å kole pmo trnitorer me ource til. ette kyle t pmo trnitorer er effektive til å trnmittere logik. Vi ier t en logik trnmittere gjennom en pmo trnitor me tor tyrke, v, en logik trnmittere fr ource på en pmo trnitor til en like terk på rin terminlen. erom en logik kl trnmittere gjennom en pmo trnitor, v. fr rin til ource, vil vi få en vk eller egrert logik på ource terminlen. ette kyle elektrike egenkper i pmo trnitoren. Trnmijonegenkper til pmo trnitoren er vit i Fig. 2.. Trnmijonporter Ve å kominere en nmo p trnitor og en pmo p trnitor i prllell kn vi lge en trnmijonport om kn ruke til å trnmittere åe logik og, om vit i Fig. 2. nmo trnitoren vil ørge for logik og pmo trnitoren vil ørge for logik. 7

8 IX. Tritte (Kpittel.4.7 ie 4-5). Notter Fig. 23. Tritte uffer ymoler. (FIG.25) ymoler for tritte uffer er vit i Fig. 23. Tritte porter ruke ofte når flere enheter (porter) kl kunne rive en felle u. / / Z / Z / / TLE II nnhettell for tritte uffer. / er kontrollignler (enle), er inngngen og er utgngen. Et tritte uffer enytter et enle ignl om etemmer om porten kl rive utgngen eller ikke. erom utgngen ikke rive vil en repreentere en høy impen (Z). nnhettellen for tritte uffer er vit i tell II. = = = Z = = = Fig. 24. Tritte inverter. (FIG.27) En tritte inverter er vit i Fig Mål Fortå hvorn en tritte kret virker og fortå hv Z utgng repreenterer. 8

9 X. Multiplekere (Kpittel.4.8 ie 5-6) = får vi = om jo er en inverterene multiplekeren funkjon. / / X / X / X / X TLE III nnhettell for to-inngng (2:) multiplker. / er kontrollignler (enle), og er inngnger og er utgngen. Multiplekere ruke i CMO hukommeleelementer og i en rekke nre kreter. En multipleker ruke til å elektere en v flere inngnger. nnhettell for en to-inngng multipleker er vit i tell III me inngngene er og, kontrollignlene er og og utgng. Fig. 27. Inverterene to-inngng multipleker. (FIG.29) Fig. 25. Trnmijonport multipleker me to inngnger. (FIG.28) En enkel to-inngng trnmijonport multipleker er vit i Fig. 25. Fig. 28. Inverterene to-inngng multipleker. (FIG.29c) En litt enklere og likeverig implementjon er vit i Fig. 27 og ymolet for en inverterene multiplekeren er vit i Fig. 28. Her er vi tyelig t utgngen rive v to tritte kreter. 2 3 Fig : multipleker. (FIG.3) Fig. 26. Inverterene to-inngng multipleker. (FIG.29) En inverterene multipleker me egenkper til å gjenkpe goe logike verier, v. tyrking v ignler, kn lge ve å t utgngpunkt i kreten vit i Fig. 8 om implementerer funkjonen = ( ) + (C ) om en komplementær CMO port. erom vi velger inngngene = C, =, = og = vil vi få funkjonen = ( ) + ( ) og kreten vit i Fig. 26. Vi er t erom = får vi = og når En utviele til fire-inngng multipleker (4:) er vit i Fig. 29. Et ekempel på en 4: multipleker etåene v invertere og tritte invertere er vit i Fig. 3.. Mål Fortå hvorn trnmijonport multipleker og inverterene multipleker virker. 9

10 XI. Ltcher (Kpittel.4.9. ie 7). Ltcher 2 3 Fig. 3. Poitiv nivåfølom ltch etåene v en 2: multipleker og invertere. (FIG.3) Fig. 3. 4: multipleker etåene v invertere og tritte invertere. (FIG.3). Notter = = Fig. 32. Implementjon v poitiv nivåfølom ltch. (FIG.3,, c og ) Vi kn utnytte en multipleker og to invertere til å lge en ltch om vit i Fig. 3. En implementjon er vit i Fig. 32. En poitiv nivåfølom ltch vil være trnprent, v. = = Fig. 33. Virkemåten til poitiv nivåfølom ltch. (FIG.3c,, og e) utgngen påvirke irekte v inngngen, når =, v. når = vil utgngen være lik inngngen me en liten tiforinkele. Når er vil inngngen ikke kunne påvirke utgngen, men kreten vil nå etå v to invertere om er tilkekolet og ørge for t hole kontnt. ette er er vit i Fig. 33. ymolet for en poitiv nivåfølom ltch er vit i Fig. 34.

11 XII. Vipper (Kpittel ie 7-9) Ltch Fig. 34. ymol for poitiv nivåfølom ltch. (FIG.3f). Notter Ltch M Ltch Fig. 35. Poitiv flnkefølom vippe. (FIG.32) Ltch Ltch M Fig. 36. Implementjon v poitiv flnkefølom vippe. (FIG.32) En vippe etår v to ltcher om klokke i mottt klokkefe om vit i Fig. 35. En implementjon v poitiv flnkefølom vippe er vit i Fig. 36. Inngngen ltche i en førte ltchen når = og utgngen på en førte ltchen M vil følge. en nre ltchen vil ikke trnportere ignlet viere fori en er i tilkekolingmou når =. er erme upåvirket v inngngen når =. Når klokkeignlet vitjer fr til vil en førte ltchen tenge og en nre ltchen åpne. Utgngen på vippen vil li lik en ite verien for M om er lik en ite verien for når vr. vil hole enne verien inntil en eventuell enring inntreffer ve nete poitive flnke på klokkeignlet. Vippen virkemåte er vit i Fig. 37. Et mulig prolem me klokkingen om er vit i Fig. 37 er t kkurt når klokkeignler vitjer fr til vil egge ltchene være elvi åpne i en kort perioe og vil vippen være neten trnprent lik t utgngen vil li lik irekte og ikke vi ltchet M. ette vil være tyelig erom et er ynkronieringprolemer, for ekempel erom kifter fr til før kifter fr til. ette prolemet er illutrert i Fig. 38. Prolemet vil få effekt i etterfølgene porter om ikke forventer å få en inngngenring i en tionen er egge klokkeignlene er (røt områe). En vnlig metoe for å ikre eg mot prolemer me uynkrone klokkeignler er å enytte tofe ikkeoverlppene klokker om vit i Fig. 39. Her er et viktig t φ og φ 2 ikke er logik mtiig. ymol for poitiv flnkefølom vippe er vit i Fig. 4.. Mål Fortå hvorn ltcher og vipper virker og kn implementere i CMO.

12 = M = = M M = M M riktig feil Fig. 37. Implementjon v poitiv flnkefølom vippe. (FIG.32c, og f) rin vippe Flnkefølom vippe Gte Inverter 2 Komintorik logikk 4 Komplementær logikk 6 Ltch Multipleker 9 NN 3 Netrekk 3 Nivåfølom ltch nmo trnitor NOR 5 Opptrekk 3 Prllellkoling 4 P trnitor 7 pmo trnitor eriekoling 4 ource Trnmijonport 7 Tritte 8 Tritte uffer 8 Tritte inverter 8 Vippe XIII. Inek Reference [] Neil H.E. Hrri og vi M. Hrri Integrte Circuit eign fjere utgve 2, IN : , IN 3: , Peron. Her vil vippen være trnprent lik t ikke holer in veri om kulle være. Fig. 38. Potenielt prolem me uynkrone klokkeignler. tiplet linje vier virkelig ignlveri for. φ φ2 φ2 φ2 φ2 φ2 Ltch Ltch φ M ikkerhetoner Fig. 39. vippe me tofe ikkeoverlppene klokker. (FIG.33) Vippe φ φ φ Fig. 4. ymol for poitiv kntfølom vippe. (FIG.32g) 2