Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Tema 7: Circuitos Digitales MOS Contenidos del tema: Introdución a los circuitos digitales. Variables y operadores lógicos Características estáticas y dinámicas de los circuitos digitales Análisis de Inversores MOS: puntos críticos de la característica estática Análisis de Inversores MOS: característica dinámica Análisis de Inversores MOS: consumo de potencia Puertas lógicas MOS: NAND y NOR Técnicas de construcción de funciones lógicas
© los autores
Tr. 7.1
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Electrónica
Circuitos Digitales: Operaciones Lógicas Operan sobre variables (entradas) que sólo tienen 2 valores y producen variables de salida que también tienen sólo 2 valores Estas variables corresponden a señales que evolucionan entre 2 valores Los 2 valores pueden ser de tensión (lo más frecuente) o intensidad Combinando estos circuitos se realizan sistemas muy complejos: Microprocesadores, p.ej. Para representar la información usan un formalismo bien fundamentado: Algebra de Boole Un valor es arbitrariamente asignado a 1 y el otro a 0 (en un esquema de lógica clásica, uno a verdadero y el otro a falso)
© los autores
Tr. 7.2
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Bloques básicos: El inversor binario “IDEAL” V1, V0
Vi
Vo Xo
Xi
La variable Xk está “representada” por la señal vk(t), tque varía entre V1 yV0
Vo
Vi
t Vo
Vi © los autores
Vo
Vo
Vi
Vi Tr. 7.3
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TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Bloques básicos: El inversor binario V1, V0 Xo
Xi
Xo = NOT(Xi) = Xi
Xi
Xo
0
1
1
0
Implementación Real
Xo
F. Transferencia
Xo(1) Xi(0) Xi(1)
Xo(0) 0 © los autores
1
Xi
0
1 Tr. 7.4
Electrónica
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Convenio de Señales: Variables binarias Sólo dos valores definidos
====> Transiciones en un tiempo nulo Se trata de una aproximación de primer orden Xi(1)
Xi
Xi(0) Xo(1) Xo(0)
t Xo t
Xo = NOT(Xi) = Xi © los autores
En gral. Xo(k)=Xi(k)
Tr. 7.5
Electrónica
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El inversor binario “real” Rango de valores definido como 1 ó 0 Rango “intermedio” de valores
1 es cualquier Vj > Vmin(1) 0 es cualquier Vk < Vmax(0)
© los autores
Tr. 7.6
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Electrónica
El inversor binario “real”: Modelo Temporal Las transiciones de 1 á 0 (ó de 0 a 1) no son instantáneas
© los autores
Tr. 7.7
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Otros Operadores Lógicos Operador OR Xa Xb
Z0 Z0
Z0= Xa+Xb
Operador AND Xa Xb
Z0= Xa Xb © los autores
Xa, Xb
0
1
0
0
1
1
1
1
Xa, Xb
0
1
0
0
0
1
0
1
Z0 Z0
Z0= Xa Xb Tr. 7.8
Electrónica
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Representación de Operadores Lógicos Función o Expresión Lógica 00
Diagrama de Karnaugh
01
11
10
00
Tabla de verdad
01 11 10
000 001 011 010 110 111 101 100
© los autores
Tr. 7.9
Electrónica
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Ejemplo de problema lógico Queremos encender la calefacción si: Ha pasado el 1 de Noviembre Y NO ha llegado el 1 de Abril Ó si hace menos de 5 ºC Ó si hace menos de 12 ºC Y la humedad relativa es del 90% pero sólo (Y) se requiere que esté encendida entre las 8 de la mañana Y las 10 de la noche, (Y) los días laborables (NO los días festivos)
Expresar estos requerimientos como una función lógica
© los autores
Tr. 7.10
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Ejemplo de problema lógico Expresar estos requerimientos como una función lógica Queremos encender la calefacción si: Z = 1 si: X1= 1 si ha pasado el 1 de Noviembre X2= 1 si ha llegado el 1 de Abril X3= 1 si hace menos de 5 ºC X4= 1 si hace más de 12 ºC X5= 1 si la humedad relativa es mayor del 90 % X6= 1 si es más tarde de las 8 de la mañana X7= 1 si es más temprano de la 10 de la noche X8= 1 si es día laborable Z = (X1X2+X3+X4X5) X6X7X8 © los autores
Tr. 7.11
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Expresiones y Funciones lógicas Una función lógica puede expresarse de múltiples maneras
Z0=X1X2X3X4+X1X2X3X4+X1X2X3X4+X2X3X4+X1X2X4+X1X3X4+X1X3+X1X3X4
Z0=X3+X2X4+X2X4
¿Cuál es la más adecuada? ¿Cómo se determina la más adecuada?
© los autores
Tr. 7.12
Electrónica
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Operaciones Lógicas Básicas Involución
A=A
Dominancia
1+A=1 0+A=A
1A=A 0A=0
Complementación
A+A=1
AA=0
Idempotencia
A+A=A
AA=A
Conmutación
A + B = B+A
Asociación
A + (B + C)= (A + B) + C
Distribución
A (B + C)= A B + AC
De Morgan
A+B=AB
© los autores
AB=BA A (B C)= (A B) C
A + BC = (A+B)(A+C)
AB=A+B Tr. 7.13
Electrónica
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Análisis Lógico de Circuitos Digitales X1
W1
X2 W2 X3
Y1 Z1
X4 X5
W3
Y2
Z2
Objetivo: Hallar una expresión de Zj = Fj(X1, X2, X3, X4, X5), para j = 1,2
© los autores
Tr. 7.14
Electrónica
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Tabla del Ejemplo X4,X5 X1,X2,X3
00
01
11
10
000 001 011 010 110 111 101 100
Z1, Z2
© los autores
Tr. 7.15
Electrónica
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Inversores MOS Tipos de Inversores MOS: Inversores NMOS
Inversor NMOS con carga de empobrecimiento Inversor CMOS
NMOS
VDD
IL
VGG
vo
vi
II
vi
VDD
IL
IL II
VDD
IP vi
(c)
VDD-VTL
(b)
vi
II
Vi
(c)
VDD Pseudo-NMOS
VDD
Vo
IP vo
(a)
IL=II
(a)
vi
IP=IN
vo
IN
IN © los autores
Vo
vo
vo
(b)
(a)
CMOS
VDD
VDD
(a)
(b)
Vi
(b) Tr. 7.16
Electrónica
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Cuantización de Variables Binarias Vo
Corte
Conducción
-1
VCC
vo
vi
1
VIH
1 VOH
0
VIL
0 VOL
-1 VCEsat VI
VIH = Mínima Tensión de entrada reconocida como 1 lógico VIL = Máxima Tensión de entrada reconocida como 0 lógico VOH = Mínima Tensión de salida que puede tomarse por 1 lógico VIL = Máxima Tensión de salida que puede tomarse por 0 lógico © los autores
Tr. 7.17
Electrónica
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Características de los Circuitos Digitales La elección de VIL, VIH garantiza que los niveles de señal son regenerados en la salida del circuito
VOL
Los circuitos deben ser “unidireccionales”: cambios en la salida no deben afectar a los niveles de entrada © los autores
Tr. 7.18
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Características de los Circuitos Digitales (II) La salida de un circuito debe poder conectarse a más de un circuito “similar”. Interesaría poder conectar un número infinito. IIH
V1, V0 Xi
Xo
IOH
Xi
Xo
IIH
V1, V0
Xi
Xo
IIH
V1, V0
Xi
© los autores
V1, V0
IOH = - NIIH (IOL = - NIIL) N = Fan-out del circuito
Xo
Tr. 7.19
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Inversor Lógico: Márgenes de Ruido Ruido debido a ΔT, Δfuentes, radiaciones, ....
Ruido
VOHtipico VIHmin VOLtipico
VILmax
NML = VILmax - VOLtipico Separación Niveles NMH = VOHtipico - VIHmin VOLtipico © los autores
VILmax
VIHmin VOHtipico
NML = NMH Tr. 7.20
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Circuitos Lógicos: Modelo Dinámico tr: Tiempo de subida (entr.) tf: Tiempo de bajada (entr.)
tpHL: Tiempo de Retardo de subida (entr-salida) tpLH: Tiempo de Retardo de bajada (entr-salida)
tTLH: Tiempo de Transición de subida (salida) tTHL: Tiempo de Transición de bajada (salida) © los autores
Tr. 7.21
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS
VDD
PARA CADA NIVEL LÓGICO LA INTENSIDAD ES NULA
NO HAY CONSUMO DE POTENCIA EN SITUACIÓN ESTACIONARIA
0
© los autores
Tr. 7.22
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS
VDD
VDD
VDD
© los autores
Tr. 7.23
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS
© los autores
Tr. 7.24
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: Tensiones
+ vi
+
+ VGSN
+ vo
VGSP
VDD
V i = V GSN = V GSP + V DD = –V SGP + V DD V o = V DSN = V DSP + V DD = – V SDP + V DD
k n' W β N = ------- ----2 L © los autores
k p' W β P = ------- ----2 L Tr. 7.25
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: El nMOS V i = V GSN = V GSP + V DD = – V SGP + V DD V o = V DSN = V DSP + V DD = –V SDP + V DD
Zona Lineal V DSN ≤ V GSN – V TN V DSN 2 W = k n' ----- ( V GSN – V TN )V DSN – ---------------ID 2 L lineal
V o ≤ V i – V TN vo 2 W = k n' ----- ( V i – V TN )v o – ----ID L 2 lineal
© los autores
Zona Saturación V DSN > V GSN – V TN k n' W ID = ------- ----- ( V GSN – V TN ) 2 2 L sat
V o > V i – V TN k n' W ID = ------- ----- ( V i – V TN ) 2 2 L sat
Tr. 7.26
Electrónica
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El Inversor CMOS: El pMOS V i = V GSN = V GSP + V DD = – V SGP + V DD V o = V DSN = V DSP + V DD = –V SDP + V DD
Zona Lineal
Zona Saturación
V SDP ≤ V GSP – V TP V SDP 2 W = k p' ----- ( V SGP – V TP )V SDP – --------------ID 2 L lineal V DD – V o ≤ V DD – V i – V TP
V SDP > V SGP – V TP k p' W ID = ------- ----- ( V SGP – V TP ) 2 2 L sat
V i ≤ V o – V TP
( V DD – V o ) 2 W = k p' ----- ( V DD – V i – V TP ) ( V DD – V o ) – ------------------------------ID L 2 lineal
V i > V o – V TP k p' W ID = ------- ----- ( V DD – V i – V TP ) 2 2 L sat
© los autores
Tr. 7.27
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TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: Característica de transferencia Vo
VDD MP
VDD
IP
1
IP = IN vo
5 regiones de operación |VTP|
MN
Región 1: Vi < VTN
NMOS OFF Vo = V(1) = VDD PMOS ON
4 0 0
Región 2: VTN < Vi < Vo - |VTP| Región 3: Región 4:
VTN
5
Vi
V VTH VDD-|VTP| DD
NMOS SATURACIÓN PMOS LINEAL 2 2 β N ( V i – V TN ) = β P 2 ( V DD – V i – V TP ) ( V DD – V o ) – ( V DD – V o ) Vo - |VTP| < Vi < Vo +VTN NMOS SATURACIÓN PMOS SATURACIÓN 2 2 β N ( V i – V TN ) = β P ( ( V DD – V i – V TP ) ) Vi > Vo - |VTP| NMOS LINEAL PMOS SATURACIÓN Vi > Vo +VTN 2 2 β N 2 ( V i – V TN )V o – V o = β P ( ( V DD – V i – V TP ) )
Región 5: Vi > VDD - |VTP| © los autores
Vo = Vi -VTN
3
IN
vi
Vo = Vi +|VTP|
2
NMOS LINEAL
PMOS OFF
Vo = V(0) = 0 Tr. 7.28
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El Inversor CMOS: Característica de transferencia Vo VDD
Tensión de umbral del Inversor:
1
Vo = Vi -VTP
2
región 3 Vo = Vi -VTN
3
para 4
0 0
VIL VTHVIH
V DD – V TP + V TN β N ⁄ β P V TH = ------------------------------------------------------------------------1 + βN ⁄ βP
βN = βP
V DD V TH = -----------2
VTN = - VTP
Vo
Vi
5 VDD
βN /βP >1
βN /βP < 1 Vi
Puntos críticos: VIL : región 2 VIH : región 4 © los autores
0
dV o d Vi dV o d Vi
= –1
para βN = βP
= –1
para βN = βP
3V DD – 3 V TP + 5V TN ----------------------------------------------------------V IL = 8
5V DD – 5 V TP + 3V TN V IH = -----------------------------------------------------------8 Tr. 7.29
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El Inversor CMOS alternativo: Pseudo-NMOS VDD
El PMOS siempre en ON
IP vo
vi
IN
Mayor disipación de potencia que el CMOS Valor del Vo(0) distinto de cero: peor NML
Se usa en: - Aplicaciones rápidas donde no importe el consumo de potencia - Memorias ROM y PLA estáticas por ahorro de área y facilidad de diseño
Niveles lógicos: Vo(1)=VDD Vo(0): solución de la ecuación
Vo VDD
NMOS SAT Vo = Vi - VTN
2 2 β N 2 ( V DD – V TN )V o – V o = β P ( V DD – V TP )
para VTN = - VTP -VTP
βP ⎛ – 1⎞ V o ( 0 ) = ( V DD – V TN ) ⎜ 1 – 1 – ------- ( V DD – V TN ) ⎟ βN ⎝ ⎠ PMOS SAT
Vi
VTH
Tensión umbral o de inversión: solución de la ecuación
INSAT = IPLIN con Vi= Vo= VTH
βP ⎞ ⎛ V TH = V TN + ( V DD – V TN ) ⎜ ---------------------⎟ ⎝ β N + β P⎠ © los autores
para VTN = - VTP Tr. 7.30
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
D
C BD
Cgd2
Q2 Cdb2
Cgd1 Cdb1
C BS
S
+ C GS
Cg4
Q4
B
G
C GB
C GD
El Inversor CMOS: Modelo dinámico
Q1
Cw Q3
Cg3
vI
VDD
CgbP+CgsP
VDD
inversor bajo estudio CgdP CgdN
vi
CdbP
vo
CgdP CgdN
CdbN CL CgsN + CgbN
© los autores
Tr. 7.31
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: Característica dinámica La característica dinámica de un circuito digital se define con: - Los tiempos de transición entre estados: tHL y tLH - Los tiempos de retraso de propagación: tPHL y tPLH Para medir estos tiempos hay que tener en cuenta: - Modelo dinámico de cada dispositivo - Elementos parásitos inversor bajo estudio - Elementos de carga VDD CgdP CgdN
vi
CgbP+CgsP
CdbP
vo
CgdP CgdN
VDD
Las capacidades del MOS dependen de las tensiones No es fácil saber en cada instante el valor de las Cs
CdbN CL
CT
Se toma un modelo simple con todas los efectos capacitivos en una capacidad CT de carga CgsN + CgbN con su peor valor (mayor valor en todo el rango) CT = CL+ CgsN+CgsP+CgbN+CgbP+ 2CgdN+2CgdP+ CdbN+CdbP
CT (peor caso)= CL+ 3/2(CoxWL)N +4CovN+3/2(CoxWL)P +4CovP + CdbN+CdbP © los autores
Tr. 7.32
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: Característica dinámica VDD
IC
d C T (V o) = I C dt
CT
t2
V o ( t2 ) 1 ------ dV ∫t dt = C T ∫V o 1 o ( t1 ) I C VDD
Tiempo de subida: tLH
Vi
vo Vo
IC = IP
vi
CT
OFF 0, 9V DD 1 1 ----------------------- dVo + C ∫ ---------------------- dVo t LH = C T ∫ T V I P ( LIN ) 0, 1V DD I P ( SAT ) TP V TP
2C T V TP – 0, 1V DD 1 ⎛ 19V DD – 20 V TP ⎞ t LH = ---------------------------------------------- ------------------------------------------- + --- ln ⎜ ----------------------------------------------⎟ β P ( V DD – V TP ) V DD – V TP 2 ⎝ V DD ⎠ © los autores
Tr. 7.33
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: Característica dinámica
Tiempo de bajada: tHL
VDD Vi
VDD
OFF vo
Vo
( V DD – V TN )
t HL = C T ∫ 0, 9V DD
IC = - IN
CT
0, 1V DD 1 1 --------------------------- dVo + C ∫ ------------------------- dVo T (V – I N ( SAT ) – I N ( LIN ) – V ) DD TN
2C T V TN – 0, 1V DD 1 ⎛ 19V DD – 20V TN⎞ t HL = -------------------------------------------- ----------------------------------------- + --- ln ⎜ --------------------------------------------⎟ β N ( V DD – V TN ) V DD – V TN 2 ⎝ V DD ⎠ tLH = tHL para βN = βP y VTN = - VTP © los autores
Tr. 7.34
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: tiempos de propagación Tiempos de propagación: tpLH , tpHL Vi
Vo
0,5VDD
Vi
Vo
0,5VDD
0, 5V DD 1 ------ dVo t pLH = C T ∫ IP 0 t LH t pLH ≅ ---------2 0, 5V DD 1 ------ dVo t pHL = C T ∫ IN V DD t HL t pHL ≅ ---------2
( t pLH + t pHL ) ( t LH + t HL ) Retraso promedio: t = --------------------------------------- ≅ -------------------------------p 2 4 © los autores
Tr. 7.35
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Tiempos de Propagación: Otra aproximación
En t=0, QN saturado: k n' W i DN ( 0 ) = ------ ⎛ -----⎞ ( V DD – V T ) 2 2 ⎝ L⎠N
En t=tpHL, QN en triodo: V DD 1 V DD 2 W⎞ ⎛ ( V DD – V T ) ------------ – --- ⎛ ------------⎞ i DN ( t pHL ) = k n' ----⎝ L⎠N 2 2⎝ 2 ⎠
VDD/2 0 tpHL
© los autores
t
1 = --- [ i DN ( 0 ) + i DN ( t pHL ) ] 2 medio C T ΔV V T ≅ 0, 2V DD t pHL = ---------------------------i DN medio 1, 7C T t pHL ≅ ------------------------------------W k n' ⎛ -----⎞ V DD ⎝ L⎠N
i DN
Tr. 7.36
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Inversor CMOS: Retrasos 1, 7C t pLH ≅ -----------------------------------W k p' ⎛ -----⎞ V DD ⎝ L⎠P tp
VDD/2 0 tpLH
© los autores
=
1--[t +t ] 2 pHL pLH
Para disminuir tp: Reducir C (layout) t Aumentar k´(pero aumenta C) Usar W/L grandes (incrementa C) Aumentar VDD (contra la evolución tecnológica) Tr. 7.37
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
El Inversor CMOS: potencia
• potencia estática:
P est = I fugas V DD = ( I diodo + I subumbral )V DD ≅ 0
• potencia dinámica:
- de carga y descarga - de transición Vo
T
CT
dV o 2 1 T 1 T 1 P sw = --- ∫ i DD V DD dt = --- ∫ C T V DD dt = --- C T V DD T 0 T 0 dt T VDD
Vin Ipeak
© los autores
vi
no depende de βN ni de βP
vo
βN 2 P tr ( max ) ) = I peak V DD = ------- ( V M – V TN ) V DD 2 1 ⎛ t r + t f⎞ P tr ( promedio ) = --- -------------- I V T ⎝ 2 ⎠ peak DD Tr. 7.38
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Puertas lógicas CMOS I Puertas NOR VDD
A
M3
B
M4 Z=A+B
A
B
M1
M2
M3
M4
Z
0
0
OFF
OFF ON
ON
1
0
1
OFF
ON
OFF
0
1
0
ON
OFF OFF ON
0
1
1
ON
ON
0
ON
OFF OFF
M2
M1
pseudo NMOS
VDD
QP
© los autores
A
B
Q1
0
0
0
Q2
QP
Z
OFF
OFF ON
1
1
OFF
ON
ON
0
1
0
ON
OFF ON
0
1
1
ON
ON
0
ON
Z=A+B A
Q1
B
Q2
Tr. 7.39
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Puertas lógicas CMOS II Puertas NAND VDD
M4 M3 Z=AB A
M1
B
A
B
M1
M2
M3
M4
Z
0
0
OFF OFF ON
ON
1
0
1
OFF ON
OFF 1
1
0
ON
OFF OFF
ON
1
1
ON
ON
OFF 0
ON
OFF
1
M2 pseudo NMOS
VDD
QP
© los autores
A
B
0
Q1
Q2
QP
Z
0
OFF OFF ON
1
0
1
OFF ON
ON
1
1
0
ON
OFF ON
1
1
1
ON
ON
0
ON
Z=AB A
Q1
B
Q2
Tr. 7.40
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Puertas lógicas CMOS III Consideraciones sobre dimensionamiento NOR
VDD
A
A=B=0,
βP
B
A=B=1, βN eq= βN +βN = 2βN
βP Z=A+B βN
βPeq= βP/2
βN eq/ βPeq= 4βN/βP
V DD – V TP + V TN 4β N ⁄ β P V TH ( NOR ) = --------------------------------------------------------------------------1 + 4β N ⁄ β P
βN para n entradas
Tiempos de peor caso:
V TH ( NOR )
V DD – V TP + V TN n 2 β N ⁄ β P = -----------------------------------------------------------------------------1 + n2 βN ⁄ βP
CT t HL α ------βN
CT 2C T t LH α ------------- = α ----------β Peq βP
criterio para igualar los tiempos a los del Inversor:
© los autores
βN = βN(inv) βP= 2βP(inv) Tr. 7.41
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Puertas lógicas CMOS IV NAND
βN eq/ βPeq= βN/4βP
VDD
M4 M3 Z=AB A B
M1
V DD – V TP + V TN β N ⁄ 4β P V TH ( NAND ) = ----------------------------------------------------------------------------1 + β N ⁄ 4β P para n entradas
M2
V TH ( NAND )
V DD – V TP + V TN β N ⁄ n 2 β P = -----------------------------------------------------------------------------1 + βN ⁄ n2 βP
CT 2C T t HL α -------------- = α ----------β Neq βN
CT t LH α ------βP
criterio para igualar los tiempos a los del Inversor:
© los autores
βN = 2βN(inv) βP= βP(inv) Tr. 7.42
Electrónica
TEMA 7: Circuitos digitales MOS
Estructuras lógicas CMOS Apilamiento de estructuras para obtener funciones lógicas: red PMOS A,B,C,...
Z = f(A, B, C, ....) • Operación AND: PMOS en Paralelo, NMOS Serie
• Operación OR: PMOS en Serie, NMOS Paralelo • Operación INV: intrínseco a la estructura • Dimensionamiento respecto a tiempos de peor caso
red NMOS
Ejemplo: βP(inv)
2β 2W P(inv) 2β P(inv) 2W
A
C
Z= A(B+C)
2βN(inv) W
B 2βW N(inv) © los autores
2β WN(inv) Tr. 7.43