Appunti di Elettronica generale - Parte XXIV

Appunti Elettronica Generale:

Libro Circuiti per la Microelettronica

di Sedra Smith

Parte XXIV

TEMPI DI PROPAGAZIONE

IL CARICO NON PUO ESSERE RESISTIVO PERCHE VO RISULTA ESSERE IL TERMINALE D'INGRESSO DEL SECONDO INVERTITORE MOSFET, TERMINALE DI GATE, ESSA NON DA MAI UN EFFETTO RESISTIVO PERCHE IN CONDIZIONI STAZIONARIE NEL GATE NON CIRCOLA CORRENTE-> IL CARICO SARA NECESSARIAMENTE NEGATIVO.

- CAPACITA DI GATE (VERSO MASSA)

C_GBn, C_GSn nel nMOS del carico il body, source a massa

C_GDp -> GATE A MASSA

- CAPACITA DI GIUNZIONE (SOLO VERSO MASSA)

C_DBp, C_DBn -> BODY A MASSA-> DRAIN COLLEGATOAL VDD EDRAIN ALL'USCITA.

- CAPACITA DELLE INTERCONNESSIONI TRA I DUE INVERTITORI (SOLO VERSO MASSA).

Cavre.

IL FATTO CHE I BODY SIANO COLLEGATI A MASSA E A VDD, NON FORNISCE ALCUN ELEMENTO UTILEMI PERMETTE DI DISTINGUERE LE DIVERSE CAPACITA PERCHE LA CORRENTE NELLE CAPACITAi_e = C_DBp d(V_o - V_DD)/dt o V_DD = 0 ESSA E UNA COSTANTE.

CIO SIGNIFICA CHE LA CORRENTE DIPENDE DALLA DERIVATA DELLA TENSIONE D'USCITAINDIPENDENTEMENTE DAL TERMINALE COLLEGATO A MASSA O AL VDD, POICHE POSSORAGIONARE CONSIDERARE LE CAPACITA TUTTE VERSO MASSA -> IN PARALLELO. ESISTONOALTRE CAPACITA DI GATE NON COLLEGATE VERSO MASSA.

C_GDn sono detteCAPACITA INGRESSO-USCITA.

POSSO SCRIVERE LECAPACITA VERSO AMASSA IN I VALORIDI TENSIONE NONSONO COSTANTI.

Lo studio e cominciato poiche le capacita di gate complessiva si suddividono in modo diverso tra le Cgs, Cgd, Cdb che derivano dalla regione di funzionamento del dispositivo, e le capacita di giunzione Cdb dipendono dalle tensioni tra S-B, D-B per semplificare possiamo approssimare come segue:

1. Tutti i dispositivi presentano una capacita di gate boly x seminista assunta tra gate e massa.

2. Tutte le capacita di giunzione le consideriamo con valori costanti e valore massimo della capacita in capacita di pot. e zero, cioe VDB = 0 e VSB = 0.

Cgate = Cox W L n

Cdbn = Cdbin + Cdbp

Clod = Cgate + Cdban + Cwire. Capacita in parallelo

Se ho un circuito reale posso avere piu porte volute o transitor da pilotare; in questo caso per ogni invertitore c'e punto corrispondente da una Cgate. Quindi se ho N invertitori avro una capacita totale pari a:

Cload = N Cgate + Cdban + Cwire.

Il numero di porte uguali alle quale puo prendere il nome di Fanout. Maggiori sara il fanout maggiore sara la capacita di carico, e si rallenta la porta logica.

STUDIO DEL TEMPO DI PROPAGAZIONE:

- TEMPO DI PROPAGAZIONE tLH

CONSIDERIAMO UNA COMUTAZIONE ISTANTANEA HL DELLA INGRESSO

QUANDO LA TENSIONE D'INGRESSO E' PARI A Vth, IN COND. DI REGIME, LA TENSIONE D'USCITA E' PARI A VOL.

COSA SUCCEDE IN CORRISPONDENZA DELLA CONDIZIONE ISTANTANEA ALLA TENSIONE D'INGRESO?

STUDIAMO IL TRANSISTORE SUL PIANO ID - VO.

PER t = 0- (TEMPO NEGATIVO) VI = Voh = VDD, Vo = VOL, CONDIZIONE DI REPOSO.

=> iE = 0 (<=>) iDp = iDn

PER t = 0+ LA VI = VOL => M3 SI INTERDICE (VGS = VOL < Vth) LA SUA CARATTERISTICA COINCIDE CON L'ASSE DI VO.

I PUNTI DI LAVORO DEI DUE DISPOSITIVI COINCIDONO E ALDI A DELLA CARATTERISTICA NON E' CONSENTITA UNA TENSIONE DISCONTINUA.

=> VO = VOL A t = 0+ => IL PUNTO A CORRISPONDERA' AL PUNTO DI LAVORO DEL PMOS CON TENSIONE DI USCITA VOL.

PERO' I PUNTI NON SONO COINCIDENTI, ANCHE IN CASO TRANSITORIO, NOTIAMO CHE LA CORRENTE DEL PMOS iDp = I pun-ur-max, MENTRE LA CORRENTE DEL NMOS iDn = 0, ECCO PERCHE' LE CORRENTI NON COINCIDONO PIU'.

ADE L'VDD > 0 VOL = 0 => LA CORRENTE DEL PMOS iDp CIRCA

RICALCOLO DELLA CORRENTE AL PASSARE DEL TEMPO:

LA CORRENTE CHE CIRCOLA NELLA CAPACITA' VALE I pun-ur-max MENTRE AD

ALIMENTARE LA VO, GRADUALMENTE IL PUNTO DI LAVORO DEL PMOS SI SPOSTA DA A' A B, QUANDO ARRIVA A B, I PUNTI SI SITUANO

QUANDO ARRIVERA' IL VALORE VDD+VOL DETERMINA IL TEMPO DI PROPAGAZIONE tLH, IL TRANSISTORE PERO' SI ESTINGUERA' QUANDO Ipu = 0, IDN = 0, Ipp = Ipol COSA NO RODIANTE DA RISOLVERE. PUNTO C.

CALCOLO tphl.

iDp = Cload dVO/dt

SEBBENE IL PMOS NON E' PROPRIO ANCORA IN CONDIZIONE DI PLUNTOFF, MA SARA' GIA' IN CORSO DI SPEGNIMENTO E SEMPLICITA' CONSIDERIAMO EOD DI PUNTO-OFF => iDp COSTANTE.

tp = tpull-up,max corrente piu in caso di power-off.

tpull-up,max = ecad dt/dt

dt = ecad dto Ipull-up,max

Vol + Vca / 2 = VDD / 2 poiche Vca = Vout

tpLH = ecad ∫_Vout^VDD/2 dto / Ipull-up,max

tpLH = ecad (VDD/2 - Vout) / Ipull-up,max = ecad VDD/2 / Ipull-up,max

tpLH = ecad VDD / Kp (VDD - |Vthp|)²

Tempo di propagazione HL

Consideriamo una commutazione istantanea dell'ingresso.

Quando la tensione d'ingresso e pari a VOL, in coda di NMOS, V0 = VOH.

Studiamo il transitorio sul piano ID-VO.

Per t = 0- Vi = VOL, l'NMOS e interdetto, iDN = 0 = iDP poiche V0 = VDD, sono nel punto C.

Per t = 0+ Vi = VOH istantaneamente, poiche V0 non puo essere discontinua, se non avrei una corrente impulsiva, V0 = VOH = VDD.

Il fatto che Vi = VOH fa si che l'NMOS si accenda (VG = VD = VDD > |Vth|).

Si ha quindi considerare l'altra caratteristica dell'NMOS.

Fatto che al bar elettrico caratteristica non posso avere una tensione discontinua ci porta a rintracciare due punti di lavoro dei NMOS D e del pMOS C (quest'ultimo nella stessa caratteristica).

Cio' significa che le correnti dei due dispositivi non sono piu uguali, di fatti iDP = 0 e iDN = Ipull-down,max.

Riscrivendo le correnti dei pmos e dell'nmos all'istante di tempo 0+