ディジタル回路 第 2 回 cmos の中身と cmos 回路
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ディジタル回路 第 2 回 CMOS の中身と CMOS 回路. 情報工学科 天野英晴. MOS ( Metal Oxide Silicon) FET ( Field Effect Transistor) の スイッチングモデル. Drain. Source. Gate. Gate. Source. Drain. pMOS G=L ON S-D がショート G=H OFF S-D がオープン. nMOS G=H ON S-D がショート G=L: OFF S-D がオープン. n-MOS トランジスタの 構造 ( p.23). ここは実は距離が - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ディジタル回路 第 2回CMOSの中身と CMOS回路
情報工学科天野英晴
MOS(Metal Oxide Silicon) FET( Field Effect Transistor)の
スイッチングモデル
nMOSG=H ON S-DがショートG=L: OFF S-Dがオープン
pMOSG=L ON S-DがショートG=H OFF S-Dがオープン
Gate
Source
Drain
Drain
Source
Gate
p型サブストレート(土台)
酸化膜
Gはポリシリコンと呼ぶ導体でできている
n-MOSトランジスタの構造( p.23)
GS D
n型拡散層n型拡散層
Gは、酸化膜の絶縁体で p型サブストレートとは絶縁されている
Sと Dは p型サブストレートにより絶縁されているこのままだとどうにもならないp型はホールがたくさん居る。しかし、この p型サブストレートにはホールと結合されない電子がちょっとだけ居る→マイナーキャリアこれがミソ!
ここは実は距離が短い!チャネルと呼ぶ
p型サブストレート(土台)
n-MOSトランジスタの構造( p.23)
GS D
n型拡散層n型拡散層
Gに+の電圧を印加マイナスの電荷を持つ電子が集まってくる
+の電圧を印加
+++++
+++++
電解効果
p型サブストレート(土台)
n-MOSトランジスタの構造( p.23)
GS D
n型拡散層n型拡散層
電子の多い部分は n型として働く→反転層これによって Sと Gが n型でくっつく→ ON
+の電圧を印加
+++++電解効果
うんちく:エンハンスメント型とディプリーション型
ゲート電圧
S-D間電流
ゲート電圧
S-D間電流
エンハンスメント型 ディプリーション型
ONになる電圧は、不純物などで制御可能CMOSではエンハンスメント型以外は使わない
n型サブストレート(土台)
酸化膜
p-MOSトランジスタの構造( p.23)
GSD
p型拡散層p型拡散層
pMOSの場合は nMOSと全く逆n型サブストレートは VDDに吊るGに Hレベルを掛けると n型サブストレートと電位差がない→OFF
Hレベル
n型サブストレート(土台)
酸化膜
p-MOSトランジスタの構造( p.23)
GSD
p型拡散層p型拡散層
G=Lレベルにすると、サブストレートを基準にするとマイナス正の電荷を持つホールが集合してくる
Lレベル- - - -
- - - -
n型サブストレート(土台)
酸化膜
p-MOSトランジスタの構造( p.23)
GSD
p型拡散層p型拡散層
反転層ができて Dと Sが繋がる→ ON
Lレベル- - - -
p型サブストレート(土台)
うんちく: nMOSの正規の記号
GS D
n型拡散層n型拡散層
+++++電解効果
G
SD
pn方向を矢印で示す
G
SD
ディプリーション形B
Substrateは Baseと呼んで Bとする
n型サブストレート(土台)
酸化膜
GSD
p型拡散層p型拡散層
Lレベル- - - -
うんちく: pMOSの正規の記号
G
SD
G
D
ディプリーション形B
Substrateは Baseと呼んで Bとする
pn方向を矢印で示す
うんちく: nMOSのみの回路• 歴史的に pMOS→nMOS→CMOSで発展してきた
– CMOSは両方必要なので最初作るのが大変だった– はじめてのマイクロプロセッサ intel 4004, 8008は pMO
Sでできていた• CMOSの方が高速で設計しやすい
– メモリ回路は nMOSがかなりがんばった– 80年代にはほぼ CMOSに置き換わった
A
Y
nMOS回路のインバータディプレーション型を負荷抵抗の役割で使う
p型サブストレート(土台)
GS D
n型拡散層n型拡散層
+の電圧を印加
+++++
p型サブストレート(土台)
GS D
n型拡散層n型拡散層
+の電圧を印加
+++++H HH
L L
L
電位差が生じる→コンデンサを充電するのに時間が掛かる
サブストレートとの間で電位差が生じない
nMOSは Lレベルを伝達するのは得意H→Lは高速
Hレベルを伝達するのは苦手L→Hは遅い
n型サブストレート(土台)
GSD
p型拡散層p型拡散層
Lレベル- - - -
H H
H
n型サブストレート(土台)
GSD
p型拡散層p型拡散層
Lレベル- - - -
L L
L
電位差が生じる→コンデンサを充電するのに時間が掛かる
サブストレートとの間で電位差が生じない
pMOSは Hレベルを伝達するのは得意L→Hは高速
Lレベルを伝達するのは苦手H→Lは遅い
だから CMOSは上半分を pMOS下半分を nMOSで作る
Qp2
Qn1
A
B
Qn2
Qp1
Y
ONで Hレベルを Yに伝達L→Hは高速
ONで Lレベルを Yに伝達H→Lは高速
Qn2
Qp1
A
B
Qp2
Qn1
Y
このため CMOSでは反転回路( NOT、 NAND,NOR)しか作れない
じゃ ANDはどうするの?
NAND+ NOTでいいじゃないか
この AND回路は使い物にならない
苦手は Hレベルを伝達L→Hは遅い
苦手は Lレベルを伝達H→Lは遅い
相補的( Complimentary)
• 一つの入力が pMOS,nMOSのペアの Gateに接続される–片方が ONならば片方は OFF
• pMOSが並列ならば、 nMOSは直列• nMOSが並列ならば、 pMOSは直列
–電源から GNDまでのパスのどこかが OFFで切れている
• 相補的の意味→ 直列⇔並列
A
A
B
B CD
D
C
Z
• 回路図からブール式への変換(テキスト p.19)
A
A
B
B CD
D
C
Z
NMOSに注目
並列は OR +直列は AND ・
B+ C
A・( B+ C)A・( B+ C)+ D
条件が満足されるとZは Lになる→上に反転の Barを付ける
A・( B+ C)+ D
• 回路図からブール式への変換
A
A
B
B CD
D
C
Z
PMOSに注目
Lで ON→入力に反転の Bar
並列は OR +直列は AND ・
B・ C
ドモルガンの法則により
A・( B+ C)+ D
A+B・ C
( A+B・ C)・ D
( A+B・ C)・ D =
• ブール式から回路図への変換
A
A
B
B CD
D
C
Z
PMOSに注目
Lで ON→入力に反転の Bar
並列は OR +直列は AND ・
B・ C
A・( B+ C)A・( B+ C)+ D
ドモルガンの法則により
A・( B+ C)+ D
A+B・ C
( A+B・ C)・ D
( A+B・ C)・ D =
• ブール式から回路図への変換 (p.20)
C
A B
Z(A+B)・ C
まず nMOS部分を作る
並列
直列
• ブール式から回路図への変換 (p.20)
C
A B
Z
nMOS部分と逆の接続でpMOS部分を作る
並列
直列C
B
A
直列
並列
乗法標準形
A・ B+ Cの場合は pMOSから作っていく
演習 1 下の回路の ブール式を書け
D
D
B
A BC
A
C
Z
演習2 下のブール式の回路を書け
Z=A・B+C・D
• トランスミッションゲート( p.20)
=
S
S
AY
YA
S
S
pMOSが ONのとき nMOSも ONpMOSが OFFのとき nMOSも OFF → ON/OFFのスイッチ
相補的な CMOSと全く逆の動きをする
なぜ二つ共 ON? → pMOSは Hを通すのが得意、 nMOSは Lを通すのが得意力を合わせれば両方共うまく通過できるA→Y、 A←Yの両方向の転送が可能
A
B
YS
S
S
S
Sが HON
ON
OFF
OFF
マルチプレクサ
Y= A
A
B
YS
S
S
S
Sが L
ON
ON
OFF
OFF
マルチプレクサ
Y= B
B
B
Y
A
A
A
A
例題 2.2 ( p.22)
Aが Hの時 Y←BAが Lの時 Y←B
さて、この論理は?
B
B Y
A
演習3
真理値表を書け
B
B