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© Circuiti Integrati Digitali L’invertitore

L’invertitoreL’invertitore

Circuiti Integrati Circuiti Integrati DigitaliDigitaliL’ottica del progettistaL’ottica del progettistaJan M. RabaeyAnantha ChandrakasanBorivoje Nikolic

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L’invertitore CMOS: circuitoL’invertitore CMOS: circuito

V in Vout

CL

VDD

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L’invertitore CMOS: layoutL’invertitore CMOS: layout

Polisilicio

In Out

VDD

massa

PMOS 2

Metal 1

NMOS

OutIn

VDD

PMOS

NMOS

Contatti

N Well

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Due invertitori in cascataDue invertitori in cascata

Interconnessioneuscita-ingresso

Linea di alimentazine comune

VDD

Linea di massa comune

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Invertitore CMOSInvertitore CMOSAnalisi DC al primo ordineAnalisi DC al primo ordine

VOL = 0VOH = VDD

VDD VDD

Vin= VDD Vin= 0

VoutVout

Rn

Rp

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Caratteristica di Caratteristica di trasferimento trasferimento statica (VTC)statica (VTC)

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Curva di carico del PMOSCurva di carico del PMOS

VDSp

IDp

VGSp=-2.5

VGSp=-1VDSp

IDnVin=0

Vin=1.5

Vout

IDnVin=0

Vin=1.5

Vin = VDD+VGSpIDn = - IDp

Vout = VDD+VDSp

V =Vdsnout

IDnVin = VDD+VGSpIDn = - IDp

Vout = VDD+VDSp

Vin Vout

CL

VDD

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nM

os

off,

pM

os

lin

Punti operativi di un invertitore CMOSPunti operativi di un invertitore CMOS

Vout

In=-Ip

Vdd

Vin

Vout

nM

os

off,

pM

os

lin

nM

os

lin, p

Mos

off

nM

os

sat,

pMo

s lin

nM

os

sat,

pMo

s sa

t

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Affidabilità e robustezza:Affidabilità e robustezza:disturbi nei circuiti integrati digitalidisturbi nei circuiti integrati digitali

i(t)

accoppiamentoinduttivo

accoppiamentocapacitivo

Disturbi dalle linee di massa e alimentazione

v(t) VDD

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Caratteristiche statiche:Caratteristiche statiche:Caratteristica di trasferimento staticaCaratteristica di trasferimento statica

V(x)

V(y)

VOH

VOL

VM

VOH

VOL

fV(y)=V(x)

Soglia logica

Livelli nominali di tensione

VOH = f(VOL)VOL = f(VOH)VM = f(VM)

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Corrispondenza tra segnali analogici e digitaliCorrispondenza tra segnali analogici e digitali

VIL

VIH

Vin

guadagno = -1

guadagno = -1

VOL

VOH

Vout

“ 0” VOL

VIL

VIH

VOH

Regione ditransizione

“ 1”

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Definizione dei margini di rumoreDefinizione dei margini di rumore

Margine di rumore alto

Margine di rumore basso

VIH

VIL

Regione di transizione

"1"

"0"

VOH

VOL

NMH

NML

Uscita della porta

Ingresso della porta logica

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v0

v1

v3

finv(v)

f(v)

v3

out

v

Porta rigenerativa Porta non rigenerativav2

v1

f(v)

finv(v)

v3

out

v

v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6

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Proprietà rigenerativaProprietà rigenerativa

Catena di invertitori

v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6

2

V (

Volt

)

4

v0

v1v2

t (nsec)0

2 1

1

3

5

6 8 10 Risposta simulata

University of PadovaInformation Engineering Dept. - Microelectronics lab

Elettronica Digitale

Invertitore CMOSSimulazioni

Andrea Gerosa - gerosa@dei.unipd.it

Tel. 049-827-7728

Configurazione di base

Ln=Lp=0.35m

Wn=0.7m

b=Wp/Wn=2.5

VDD=3.3V

CL (estrinseca)=50fF

Caratteristica staticaCorrente nei MOS massima per Vin=VM

Caratteristica dei 2 transistor – punto di lavoro

Vin=1.55V

Caratteristica dei 2 transistor – punto di lavoro

Vin=1V

Caratteristica dei 2 transistor – punto di lavoro

Vin=2V

Caratteristica dei 2 transistor – punto di lavoro

Diversi valori di Vin

Variazione di Wn e Wp (b costante)Lievissima variazione di VM (effetti del secondo ordine)

Variazione della corrente proporzionale ai W

Variazione di Wn e Wp (b costante)Punto di lavoro (Vin costante a 1.55V)

Variazione di b (Wn costante)VM varia perché il punto di lavoro dipende da b (rapporto tra Wp e Wn): al diminuire di Wp, diminuisce VM

Vin=1.55V

Variazione di b (Wn costante)Il punto di massima corrente varia (è VM)

Il valore massimo della corrente cresce al crescere di Wp

Variazione di VddLa tensione per il valore logico alto e VM traslano rigidamente con Vdd

La corrente diminuisce circa con il quadrata della diminuzione di Vdd

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Effetto delle variazioni di processoEffetto delle variazioni di processo

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5

Vin (V)

Vo

ut(V

)

PMOS veloceNMOS lento

NMOS velocePMOS lento

Nominale