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1 G.V. Persiano – Elettronica Digitale Circuiti combinatori CMOS Proprietà: in ogni istante di tempo, l’uscita dipende esclusivamente dalla funzione logica degli ingressi in quell’istante Circuiti combinatori (sequenziali) = circuiti non rigenerativi (rigenerativi) Combinatorio Sequenziale Logico Circuito Out In Out In Stato Logico Circuito Out = f ( In ) Out = f ( In, In precedenti)

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Page 1: Circuiti combinatori CMOS · Combinatorio Sequenziale Logico Circuito In Out In Out Stato Logico Circuito Out = f(In) Out = f(In, In precedenti) G.V. Persiano – Elettronica Digitale

1G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Circuiti combinatori CMOS

Proprietà: in ogni istante di tempo, l’uscita dipende esclusivamente dalla funzionelogica degli ingressi in quell’istante

Circuiti combinatori (sequenziali) = circuiti non rigenerativi (rigenerativi)

Combinatorio Sequenziale

LogicoCircuito OutIn

OutIn

Stato

LogicoCircuito

Out = f(In ) Out = f(In, In precedenti)

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2G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Classificazione dei circuiti combinatori

• Circuiti di tipo statico– Logica CMOS statica complementare (o FCMOS)

– Logica a rapporto

– Logica a pass-transistors

• Circuiti di tipo dinamico– Blocchi o reti di tipo n e di tipo p

– Logica Domino

– Logica np-CMOS

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3G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Circuiti combinatori statici

• In condizioni statiche, ogni uscita di una porta logica è collegata all’alimentazione VDD o a massa mediante un percorso a bassa resistenza (generalmente, un MOS acceso);

• L’uscita di una porta assume sempre il valore logico della funzione implementata dal circuito (tranne nei transitori)

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4G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica CMOS complementare

VDD

F(In1,In2,…InN)

In1In2

InN

In1In2

InN

PUN

PDN

Solo dispositivi PMOS

Solo dispositivi NMOS

PUN e PDN sono reti logiche duali

……

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5G.V. Persiano – Elettronica Digitale

NMOS connessi in serie/parallelo

NMOS sono più idonei per PDN che per PUN !

Gli NMOS si comportano come interruttori controllati dal segnale di gateL’interruttore NMOS si chiude (CONDUCE) con il segnale di gate ALTO

X Y

A B

Y = X se A AND B

X Y

A

B Y = X se A OR B

Gli NMOS trasferiscono un forte “0” ma un “debole 1”

- Se VX= 0V ⇒ VY= 0V

- Se VX= VDD ⇒ VY=VDD-VTn(perdita di una soglia)

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6G.V. Persiano – Elettronica Digitale

PMOS connessi in serie/parallelo

PMOS sono più idonei per PUN che per PDN !

Anche i PMOS operano come interruttori controllati dal segnale di gateL’interruttore PMOS si chiude (CONDUCE) con il segnale di gate BASSO

- Se VX= VDD ⇒ VY= VDD

- Se VX= 0V ⇒ VY=|VTp|(perdita di una soglia)

X Y

A B

Y = X se A AND B = A + B

X Y

A

B Y = X se A OR B = AB

I PMOS trasferiscono un forte “1” ma un debole “0”

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7G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Perdita della tensione di soglia

VDD

VDD → 0PDN

0 → VDD

CL

CL

PUN

VDD

0 → VDD - VTn

CL

VDD

VDD

VDD → |VTp|

CL

S

D S

D

VGS

S

SD

D

VGS

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8G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Complementarità della logica

• La rete di Pull-up (PUN) è complementare o duale alla rete di Pull-down (PDN), come si dimostra con le relazioni di De Morgan:

• La porta complementare è invertente

BABA

BABA

+=⋅

⋅=+

=

AND =NAND +INV

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9G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Porta logica NAND

Schema circuitale Tabella di verità

PDN: G = AB ⇒ connessione a massa

PUN: F = A + B = AB ⇒ connessione a VDD

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10G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Porta logica NOR

Schema circuitale Tabella di verità

PDN: G = A+B ⇒ connessione a massa

PUN: F = A B = A+B ⇒ connessione a VDD

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11G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Porta complessa CMOS

OUT = D + A • (B + C)

DA

B C

D

AB

C

VDD

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12G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Costruzione di una porta complessa

C

(a) Rete di pull-down

SN1 SN4

SN2

SN3D

FF

A

DB

C

D

F

A

B

C

(b) Ricavare la rete di pull-up in modo gerachico identificando lesottoreti

D

A

A

B

C

VDD VDD

B

(c) Si completa la rete

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13G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Proprietà della logica CMOS complementare

• Pieno swing logico ⇒ Elevati margini di rumore

• Livelli logici indipendenti da kp/kn ⇒ logica non a rapporto

• Collegamento statico a VDD o massa ⇒ bassa Rout

• Alto valore di Rin ⇒ corrente di ingresso statica quasi nulla

• Nessun cammino statico tra VDD e massa ⇒ Pstat ≈0

• Tempo di propagazione dipendente dalla capacità di carico e dalla resistenza dei MOS

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14G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Analisi con modello MOS come interruttore

NAND

A

Req

A

Rp

A

Rp

A

Rn CL

A

CL

B

Rn

A

Rp

B

Rp

A

Rn Cint

B

Rp

A

Rp

A

Rn

B

Rn CL

Cint

INV NOR

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15G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Risposta di una porta NAND

• Il ritardo tp dipende dalla configurazione delle porte in ingresso

• Commutazione in uscita basso-altoEntrambi gli ingressi vanno a livello logico basso

• tpLH è pari a 0.69 Rp/2 CLUn solo ingresso va a livello logico basso

• tpLH è pari a 0.69 RpCL

• Commutazione in uscita alto-bassoEntrambi gli ingressi vanno a livello logico alto

• tpHL è pari a 0.69 2RnCL

CL

B

Rn

ARp

BRp

A

Rn Cint

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16G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Dipendenza di tpLH dagli ingressi

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 100 200 300 400

A=B=1→0

A=1, B=1→0

A=1 →0, B=1

Tempo [ps]

Tens

ione

[V]

tpLH

(psec)Commutazionedegli ingressi

81A= 1→0, B=1

80A=1, B=1→0

45A=B=1→0

61A= 0→1, B=1

64A=1, B=0→1

67A=B=0→1

tpHL

(psec)Commutazionedegli ingressi

Dati simulazione: NMOS = 0.5µm/0.25 µm, PMOS = 0.75µm/0.25 µm, CL = 100 fF

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17G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Risposta di una porta NOR

B

Rp

A

Rp

A

Rn

B

Rn CL

Cint

• Il ritardo tp dipende dalla configurazione delle porte in ingresso

• Commutazione in uscita alto-bassoEntrambi gli ingressi vanno a livello logico alto

• tpHL è pari a 0.69 Rn/2 CLUn solo ingresso va a livello logico alto

• tpHL è pari a 0.69 RnCL

• Commutazione in uscita basso-altoEntrambi gli ingressi vanno a livello logico basso

• tpLH è pari a 0.69 2RpCL

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18G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Dimensionamento dei MOS in NAND e NOR

CL

B

Rn

A

Rp

B

Rp

A

Rn Cint

B

Rp

A

Rp

A

Rn

B

Rn CL

Cint

2

2

2 2

11

4

4

Ipotesi: µn (mobilità elettroni NMOS) = 2µp (mobilità lacune PMOS)

NAND NOR

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19G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Dimensionamento di una porta complessa CMOS

Ipotesi: µn (mobilità elettroni NMOS) = 2µp (mobilità lacune PMOS)VDD

OUT = D + A • (B + C)

DA

B C

D

AB

C

1

2

2 2

4

48

8

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20G.V. Persiano – Elettronica Digitale

DCBA

D

C

B

A CL

C3

C2

C1

Modello RC a parametri distribuiti (Ritardo di Elmore)

tpHL = 0.69 Reqn(C1+2C2+3C3+4CL)

Tempo di ritardo si deteriora rapidamente in funzione del fan-in, con dipendenza quadratica nel caso peggiore.

Considerazioni sul fan-in delle porte CMOS

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21G.V. Persiano – Elettronica Digitale

tpLH

t p(p

sec)

fan-in

Porte logiche con fan-in maggiore di 4 dovrebbero evitarsi !

0

250

500

750

1000

1250

2 4 6 8 10 12 14 16

tpHL

Dipendenza quadratica

Dipendenza lineare

tp

Dipendenza di tp dal fan-in

tpLH

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22G.V. Persiano – Elettronica Digitale

2 4 6 8 10 12 14 16

tp(NOR)t p

(pse

c)

fan-out effettivo

Stessa corrente di pilotaggio

tp(NAND)

tp(INV)

La pendenza dipende dal carico offerto dalle diverse topologie (NOR,NAND, INV)

Dipendenza di tp dal fan-out

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23G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Fan-in: dipendenza quadratica dovuta alle crescita lineare di resistenza e capacità

• Fan-out: ogni porta aggiuntiva al fan-out aumenta di 2 capacità di gate la capacità di carico CL

Dipendenza di tp dal fan-in e dal fan-out

tp = a1FI + a2FI2 + a3FO

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24G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Dimensionamento dei MOS– Applicabile se le capacità esterne sono dominanti

• Dimensionamento progressivo

InN CL

C3

C2

C1In1

In2

In3

M1

M2

M3

MNM1 > M2 > M3 > … > MN

(il MOS più vicino all’uscita è il più piccolo)

Si arriva ad una riduzione di tp del 20%;

Tale percentuale di riduce con la riduzione di λ

Progetto di porte CMOS con elevato fan-in (I)

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25G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Ordinamento dei MOS

C2

C1In1

In2

In3

M1

M2

M3 CL

C2

C1In3

In2

In1

M1

M2

M3 CL

Cammino critico Cammino critico

carico1

0→1carico

carico1

Ritardo dovuto al tempo per scaricare CL, C1 and C2

Ritardo dovuto al tempo per scaricare solo CL

1

1

0→1 scarico

scarico

scarico

Progetto di porte CMOS con elevato fan-in (II)

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26G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Funzioni logiche alternative– Più stadi con minor numero di ingressi

F = ABCDEFGH

Progetto di porte CMOS con elevato fan-in (III)

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27G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Isolamento del fan-in dal fan-out tramite stadio buffer

CLCL

Progetto di porte CMOS con elevato fan-in (IV)

Carico intermedio molto minore di CL

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28G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Riduzione dello swing logico

– Riduzione lineare del ritardo– Contemporanea riduzione del consumo di potenza

• Svantaggio: la porta successiva è molto più lenta!

• Nel progetto delle memorie, c’è la necessità di un amplificatore di lettura per ripristinare il livello del segnale ai valori tipici

tpHL ∝ 0.69 CL VDD/ IDSATn ⇒

Progetto di porte CMOS con elevato fan-in (V)

tpHL ∝ 0.69 CL Vswing/ IDSATn

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29G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logiche a rapporto

Obiettivo: ridurre il numero di dispositivi rispetto a FCMOS

Grandezze statiche (NMH, NML, PS) dipendenti da kp/kn

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30G.V. Persiano – Elettronica Digitale

• Una porta logica ad N ingressi richiede N+1 dispositivi

• Ogni ingresso è connesso ad un solo MOS (uscita =CgN )

• Rete di pull-up (carico) sempre accesa

• Livello logico VOL>0 V ⇒ escursione logica inferiore a VDD

• Con PDN acceso ⇒ consumo di potenza statico PS ≠0

• Tempi di commutazione asimmetrici (tpLH comanda)

Proprietà delle logiche a rapporto

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31G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Esempio: rete con carico resistivo

DDOH VV =

tensione) di (partitore DDLPDN

PDNOL V

RRRV

+=

LLpLH CRt 69.0=

L

DD

L

OLDDDDRDDS R

VR

VVVIVPL

2

≅−

==

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32G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica pseudo-NMOS

Caratteristica: carico PMOS lavora con VSG=VDD ⇒ non c’è effetto body

Esempio: Porta NOR a 4 ingressi

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33G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Caratteristiche di trasferimento per diversi kp

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Vin [V]

Vou

t[V

]

W/L p = 4

W/L p = 2

W/L p = 1

W/L p = 0.25

W/L p = 0.5

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34G.V. Persiano – Elettronica Digitale

1) Per ridurre PS ⇒ IOL deve essere piccola

2) Per avere basso VOL ⇒ IOL RPDN deve essere piccola

3) Per ridurre tpLH ⇒ IOL deve essere grande

4) Per ridurre tpHL ⇒ RPDN deve essere piccola

Indicazioni nel progetto di pseudo-NMOS

Curve di carico delle

logiche a rapporto

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35G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica pseudo-NMOS ad alte prestazioni

Obiettivo: ridurre tpLH e PS della configurazione pseudo-NMOS

Porta con carico riconfigurabile

- Piccola corrente statica

- Basso valore di VOL

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36G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Schema base

- conduzione statica contemporanea di PDN1 e M2 oppure di PDN2 e M1

- stessa capacità di pseudo-NMOS

- maggiore area per 2 reti di PDN e PUN compensata da 2 uscite (Vout e Vout )

Logica a Dual Cascode Voltage Switch (DCVSL)

Porta XOR-XNOR

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37G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Risposta dinamica di una porta AND/NAND

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-0.5

0.5

1.5

2.5

Time [ns]

Vol

tag e

[V] A B

A B

A,BA,B

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38G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica a pass-transistor

Caratteristica: basata su reti logiche di interruttori (porte di trasmissione)

- una porta logica ad N ingressi richiede N dispositivi

- consumo di potenza statico nullo (PS =0)

Concetto generale Porta AND (ideale)

B

B

A

F = AB

0

Porta AND (MOS)

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39G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Interruttore NMOS

Trasmissione di uno "0" ⇒ NMOS lavora con VGS =VDD

Trasmissione di un “1" ⇒ NMOS lavora con VGD =0

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40G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Funzione di trasferimento dell’interruttore NMOS

Esempio di pilotaggio di un inverter CMOS

VDD

In

Outx

0.5µm/0.25µm0.5µm/0.25µm

1.5µm/0.25µm

0 0.5 1 1.5 20.0

1.0

2.0

3.0

Time [ns]

Volta

g e[V

]

xOut

In

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41G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Problema: NMOS trasmette un forte "0" ma un debole "1"

- La tensione su B arriva a 2.5V – VTn

- Poiché VTn, causa l'effetto body, è maggiore di |VTp | ⇒ PMOS non va OFF

- Il consumo di potenza statico è non nullo (PS ≠0)

A = 2.5 V

B

C = 2.5V

CL

A = 2.5 V

C = 2.5 V

BM2

M1

Mn

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42G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica a pass-transistor ad alte prestazioni

Obiettivo: recuperare iI livello della soglia sul livello logico VOH

Circuito ripristinatore di livello (level restorer)

Usare dispositivi a valore quasi nullo di VTn

Circuito ripristinatore di livello (level restorer)Possibili soluzioni

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43G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Dimensionamento del Level Restorer

- Limite superiore al dimensionamento di Mr

- Problema acuito se, da A ad X, pull-down dato da serie di più MOS

0 100 200 300 400 5000.0

1.0

2.0

W/Lr =1.0/0.25 W/Lr =1.25/0.25

W/Lr =1.50/0.25

W/Lr =1.75/0.25 Te

nsio

ne n

odo

X[V

]

Tempo [ps]

3.0

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44G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Transistori a soglia quasi nulla

- Ridotti margini di rumore

- Criticità nello spegnimento dei MOS ⇒ correnti sottosoglia

2.5V

2.5V

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45G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Interruttore CMOS

Trasmissione di uno "0" ⇒ NMOS lavora con VGS =VDD, PMOS lavora con VGD =0

Trasmissione di un “1" ⇒ NMOS lavora con VGD =0, PMOS lavora con VGS =VDD

Funzione di trasferimento dell’interruttore CMOS

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46G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Resistenza dell’interruttore CMOS

Vout

0 V

2.5 V

2.5 VRn

Rp

0.0 1.0 2.00

10

20

30

Vout , V

Res

ista

nce,

ohm

s

Rn

Rp

Rn || Rp

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47G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica a pass-transistor complementari (CPL)

Problema: interruttore CMOS presenta diversi svantaggi quali processo costoso, doppia polarità del segnale di controllo ed elevata CL

Soluzione: logica a pass-transistor complementari

- Uso di dispositivi a VT ≈ 0 (impiantazione ionica)

- Circuiti differenziali con uscite OR/NOR, AND/NAND (no extra inverter)

- Circuiti di tipo statico

- Eccellenti capacità di pilotaggio

- Topologia modulare (stesso circuito, diverso segnale in ingresso)

Caratteristiche:

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48G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Schema di principio e porte logiche CPL

Schema di principio

Porte logiche

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49G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Esempi di porte logiche CPL

Multiplexer

AM2

M1

B

S

S

S F

VDD

A

B

F

B

A

B

BM1

M2

M3/M4

XOR

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50G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Ritardo delle porte di trasmissione

V1 Vi-1

C

2.5 2.5

0 0

Vi Vi+1

CC

2.5

0

Vn-1 Vn

CC

2.5

0

In

VV1 Vi i+1

C

Vn-1 Vn

CC

InReqReq Req Req

CC

C

Req Req

C C

Req

C

Req Req

C C

Req

In

m

Catene di porte di trasmissione

Circuito RC equivalente

Ottimizzazione ritardi mediante inserimento buffer

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51G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Ottimizzazione del ritardo

Ritardo della catena RC

Ritardo della catena con buffer

2 ,per ntn p ∝∞→( )

2169.069.0

0⇒

+== ∑

=

nnCRkCRt eq

n

keqp

( ) ( )bufbuf peqpeqp t

mnmnCRt

mnmmCR

mnt ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +

= 12

169.012

169.0

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52G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Full Adder in logica CPL

Ci

VDD

CiA A

VDD

A

Ci

VDD

VDD

Ci

Ci

Co

S

P

P

P

P

P

A

B

P

A

P

AB

Cella della Somma

Cella del Riporto

Segnali di A e C

Segnali di P e P

BABABAP ⊕=+=

BABAABP ⊕=+=

iiii

iiiiii

ABCCBACBACBA

BCACBACBACABPCCPSS

+++=

=+++=+==

( ) iiiiiiii

iiiOO

ABCCBABCACABCBACBACCBA

CBACBAABAAABCPAPCC

+++=+++=

=+++=+==

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53G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Circuiti combinatori dinamici

• Valori logici si basano sull'immagazzinamento temporaneo della carica sulle capacità di nodi ad alta impedenza del circuito

• porte logiche più semplici e veloci di quelle di tipo statico

• progetto e funzionamento più complesso di quelle di tipo statico (maggiore sensibilità al rumore)

• Funzione di N ingressi ⇒ N+2 dispositivi

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54G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Struttura di un circuito dinamico

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

ClkOut

CL

Out

Clk

Clk

A

BC

Mp

Me

Operazione in 2 fasi:

Precarica (Clk = 0)

Valutazione (Clk = 1)

on

off

1off

on

((AB)+C)

Schema di principio Porta logica AND-OR-INVERT

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55G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Condizioni sul nodo di uscita

• Una volta che l’uscita di un circuito dinamico si porta a livello “0”, non potrà tornare ad “1” se non al ciclo di precarica successivo

• Gli ingressi alle porte successive possono fare al più una transizione durante la fase di valutazione

• Funzionamento nello stato dinamico (alta impedenza) durante e dopo la fase di valutazione, quando PDN spento

• In stato di alta impedenza, valore logico è su capacità CL

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56G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Proprietà dei circuiti dinamici (I)

• Funzione logica implementata solo dalla PDN– Numero di MOS pari a N+2, invece dei 2N della logica FCMOS

• Piena escursione logica (VOL=0, VOH=VDD)

• Logica non a rapporto

• Commutazioni più rapide– Ridotto carico capacitivo per la minore capacità in ingresso Cin

– Ridotto carico capacitivo per il minore carico in uscita Cout

– tpLH=0

– In valutazione, corrente di PDN usata tutta per scaricare CL

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57G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Proprietà dei circuiti dinamici (II)

• Potenza dissipata tipicamente maggiore di logica statica– Nessun percorso statico di corrente tra VDD e massa

– Nessuna possibilità di commutazioni spurie (glitching)

– Più alte probabilità di transizione

– Extra carico sul segnale di Clock

• PDN operativa per ingressi > VTn ⇒ VM,VIH,VIL pari a VTn

– ridotto margine di rumore NML, pari a VTn

• Serve segnale di clock per precarica/valutazione

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58G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Rumore nei circuiti dinamici: charge leakage

Perdita dovuta a 2 fenomeni:

Giunzione inversa drain-substrato

Correnti sottosoglia (dominante)

Sorgenti di Leakage Evoluzione temporale

CL

Clk

ClkOut

A

Mp

Me

CLK

VOut

Precarica

Valutazione

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59G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Soluzione di rimedio al charge leakage

- Stessa soluzione adottata per la logica a pass-transistor

CL

Clk

Clk

Me

Mp

A

B

Out

Mkp

Bleeder

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60G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Rumore nei circuiti dinamici: charge sharing

Caso per A=1 e B=0

CL

Clk

Clk

CA

CB

B=0

AOut

Mp

Me

Carica inizialmente immagazzinata su CL viene ridistribuita tra CL e CA,

Abbassamento del livello logico alto (minore robustezza)

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61G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Effetto del charge sharing

B = 0

Clk

X

CL

Ca

Cb

A

Out

Mp

Ma

VDD

Mb

Clk Me

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62G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Soluzione di rimedio al charge sharing

- Precarica nodi interni con un MOS pilotato dal clock (più area e potenza dissipata)

Clk

Clk

Me

Mp

A

B

OutMkp Clk

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63G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Rumore nei circuiti dinamici: clock feedthrough

Per segnali rapidi, gioca l’accoppiamento capacitivo tra Clk e Out (gate-drain di MP )

Uscita oltre VDD polarizzazione diretta diodo drain-body MP, latch-up

CL

Clk

Clk

B

AOut

Mp

Me

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64G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Effetto del clock feedthrough

-0,5

0,5

1,5

2,5

0 0,5 1

Clk

Clk

In1

In2

In3

In4

Out

In &Clk

Out

Time, ns

Vol

tage

Clock feedthrough

Clock feedthrough

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65G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Rumore nei circuiti dinamici: backgate coupling

NAND dinamica

Accoppiamento capacitivo tra In e Out1 (gate-drain e gate source di M4 )

Out1 segue Out2 accensione di M5 dissipazione statica, possibile errore logico⇓

CL1

Clk

Clk

B=0

A=0

Out1Mp

Me

Out2

CL2In

=1 =0

NAND statica

M1

M2

M3

M4

M5 M6

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66G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Effetto del backgate coupling

-1

0

1

2

3

0 2 4 6

Vol

tage

Time, ns

Clk

In

Out1

Out2 (>0V)

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67G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Circuiti dinamici in cascata

Problema: malfunzionamento di due reti dinamiche (dello stesso tipo) in cascata

Clk

Clk

Out1In

Mp

Me

Mp

Me

Clk

Clk

Out2

V

t

Clk

In

Out1

Out2 ∆V

VTn

Solo una transizione 0 → 1 è possibile in ingresso !

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68G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica DOMINO

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

Clk Out1

In4 PDNIn5

Me

Mp

Clk

ClkOut2

Mkp

1 → 11 → 0

0 → 00 → 1

- Durante la precarica, tutte le uscite sono portate a 0

- Durante la valutazione, il valore di Out1 si propaga nella catena

Caratteristiche:

Invertitore I Invertitore I

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69G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Perché si chiama logica DOMINO?

Clk

Clk

Ini PDNInj

IniInj

PDN Ini PDNInj

Ini PDNInj

Perche il segnale si propaga lungo la catena come I tasselli del DOMINO

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70G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Proprietà della logica DOMINO

• Solo funzioni logiche non invertente implementabili

• Logica idonea per strutture complesse ad elevato Fan-out

• Logica molto rapida– Solo transizioni 1 0 in ingresso all’invertitore I

– Transizioni velocizzate se, per l’invertitore I, progetto VM VDD

(aumento dimensioni PMOS)

• Aggiunta di Mkp per eliminare leakage e charge sharing

• Ottimizzazione dell’invertitore I per definire il Fan-out

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71G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Tecniche di progettazione della logica DOMINO

Mp

Me

VDD

PDN

Clk

In1In2

In3

Out1

Clk

Mp

Me

VDD

PDN

Clk

In4

Clk

Out2

Mr

VDD

Ingressi = 0durante la fase di precarica

Si potrebbe eliminare!

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72G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica DOMINO senza Me

VDD

Clk Mp

Out1

In1

1 0

VDD

Clk Mp

Out2

In2

VDD

Clk Mp

Outn

InnIn3

1 0

0 1 0 1 0 1

1 0 1 0

- Si rallenta di molto la fase di precarica (tempo di ritardo del cammino critico)

- Consumo aggiuntivo di potenza quando sia pull-up che pull-down accesi

Controindicazioni:

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73G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica DOMINO duale (differenziale)

A

B

Me

Mp

Clk

ClkOut = AB

A B

Mkp ClkOut = AB

Mkp Mp

Soluzione al problema della logica non invertente

1 0 1 0

onoff

Porte logiche AND/NAND

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74G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica np-CMOS

- Durante la precarica, l’uscita di PDN (PUN) è portata a 1 (0)

- Durante la valutazione, i valori di Out1,In4 e In5 determinano il valore di Out2

Caratteristiche:

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

Clk Out1

In4 PUNIn5

Me

MpClk

Clk

Out2(verso PDN)

1 → 11 → 0

0 → 00 → 1

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75G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Proprietà della logica np-CMOS

• Possibile configurazione complementare (pn-CMOS)

• Rete con PUN (PMOS) più lenta di rete con PDN (NMOS)

• Logica molto densa e veloce– Rispetto logica DOMINO, area occupata inferiore del 20% (no

invertitore e minore CL)

• Doppio clock per sincronizzare precarica e valutazione

• Blocco base per circuiti dinamici sequenziali

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76G.V. Persiano – Elettronica Digitale

Logica NORA (NO Race)

Attenzione: Logica molto sensibile al rumore!

In1

In2 PDNIn3

Me

Mp

Clk

Clk Out1

In4 PUNIn5

Me

MpClk

Clk

Out2(verso PDN)

1 → 11 → 0

0 → 00 → 1

verso altrePDN

verso altrePUN