Appunti Sistemi elettronici

Applichiamo tensione: VDS <= 0

Zona di interdizione: → Il transistor è spento.

Zona di conduzione sotto soglia (Non la vediamo) > ≈

Zona lineare o di triodo o ohmica → dunque si crea il canale tra Drain e Source. Applicando una tensione VDS > 0, si instaura una corrente tra Drain e Source, pari a:

ID = (VDS - VGS - VTN) / (2 * W * L * μn * Cox)

Trascurabile DS2 = (VDS - VGS - VTN)

Otteniamo quindi che: ID = K * (VDS - VGS - VTN) * (VGS - VTN)

In questa zona di funzionamento il transistor NMOS si comporta come un resistore di resistenza R = K * (VGS - VTN) / ID, variabile in quanto dipendente da VGS che è arbitraria.

Zona di saturazione → Al Source è applicata la massa, mentre al Drain viene applicata una tensione. Il canale tra Drain e Source presenterà dunque una tensione

variabile tra 0 e , dalla quale dipende lo spessore del canale stesso. ApplicandoVDSquindi una tensione sempre maggiore, il canale si assottiglierà in corrispondenza del Drain fino a quando si raggiunge ilVDS ≥ −punto di strozzatura massimo, detto di pinch offm che si verifica se . In questa situazione si raggiunge laV V VDS GS TNConcetti 6saturazione in quanto all’aumentare di la tensione ai capi del canale e quindi la corrente che vi scorre resterannoV IDS DScostanti.In questa zona il transistor si comporta come un generatore di corrente ( ) controllato in tensione ( ).I VDS DS2K= (V − )In prima approssimazione I VnDS GS TN2Recap:Gate = 0 (GND) → interruttore aperto → spento (0)Gate = 1 ( ) → interruttore chiuso → acceso (1)VDDTransistor PMOS +Blocco di silicio (Body) + due pozzi arricchiti detti Drain e Source + ossido di silicio + elettrodo (Gate)pRelazioni identiche all’NMOS a patto che si invertano le tensioni:→ , → ,

→ −VV V V V etc., VDS S D GS SG TN TP

Recap:

Gate = 0 (GND) → interruttore chiuso → acceso (1)

Gate = 1 ( ) → interruttore aperto → spento (0)

VDDUniti:

CMOSE’ la combinazione di un transistor PMOS e di un transistor NMOS.

In particolare, il Source del PMOS viene connesso a (1 logico), mentre il Source dell’NMOS è connesso a GND (0 logico). I dueVDDDrain sono connessi tra loro.

L’input è connesso ai due GATE, mentre l’output è connesso tra i due Drain.

Con questo collegamento e ricordando il funzionamento delle due tipologie di transistor abbiamo che quando uno dei due è acceso,l’altro è spento e viceversa per mutua esclusione.

La parte contenente il PMOS è detta Pull-up network, mentre la parte contenente l’NMOS è detta pull-down network. Infatti:

Input PMOS NMOS Output

0 Chiuso Aperto V_DD (1)

1 Aperto Chiuso GND (0)

Di fatto il CMOS si comporta come un inverter, cioè come

Una porta NOT. Qual è il vantaggio del fatto che le due reti non possono essere attive contemporaneamente? Non c'è consumo statico perché la corrente non può mai scorrere tra e GND.VDD

Come si realizzano le porte logiche con i cmos? Si deve scrivere la tabella della verità e vedere per quali ingressi l'uscita risulta essere 0 o 1. In particolare:

• Se y = 0 → significa che dovrà essere assegnata grazie alla rete di pull-down realizzata con gli NMOSS
• Se y = 1 → significa che dovrà essere assegnata grazie alla rete di pull-up realizzata con i PMOS
• Se y = 0 e tutti e tre gli ingressi assumono lo stesso valore, si mettono NMOS in serie;
• Se y = 1 e gli ingressi assumono lo stesso valore si mettono PMOS in serie.
• Se y = 0 e almeno un ingresso è diverso dagli altri allora si mettono NMOS in parallelo, altrimenti se y = 1 si mettono PMOS in parallelo.

Pseudo-nMOS CMOS utilizzati per realizzare porte NOR con tanti ingressi sono

lenti in quanto:

• Transistor in serie sono più lenti di transistor in parallelo
• PMOS più lenti degli NMOS

Nella logica Pseudo-NMOS si sostituisce la serie di transistor PMOS con un unico transistor PMOS debole che è sempre acceso (pull-up debole). In questo modo solo quando nessuno degli NMOS è attivo y = 1 (logico) passando per PMOS. Quando invece anche solo uno degli NMOS è attivo, y = 0 (logico) anche se resta comunque attivo il collegamento con la VDD mediante il PMOS. Tuttavia, essendo debole, viene vinto dal collegamento con GND.

Concetti:

• Transmission gates
• NMOS → passa bene 0
• PMOS → passa bene 1
• Parallelo PMOS + NMOS = Transmission gate
• Three state buffer
• Transmission gate + porte logiche = Three state buffer con segnale di controllo enable (EN):
• EN = 0, → Transmission gate è spento
• EN = 1, → Transmission gate è acceso

Consumo di energia:

Potenza = Energia utilizzata per unità di tempo

dinamica = è la potenza necessaria a ricaricare una capacità quando il segnale in ingresso commuta tra 0 e 1.

2= , con C la capacità del carico, = tensione di alimentazione, f = frequenza di commutazione della tensione sul capacitore.

Potenza statica = potenza utilizzata anche quando il segnale non varia e il sistema è stabile.

, con =P I V Istatica DD DD DDcorrente di perdita. -12 910 10

Anche se le correnti di perdita sono di per sé molto piccole (es. A), il fatto che ci siano moltissimi transistor (es. ) in-310un dispositivo come il telefono fa sì che la corrente persa totale sia dell'ordine dei A e dunque che si dissipino mW di energia in calore.

Correnti di cortocircuito

Nel caso dello Pseudo NMOS, il collegamento tra e GND permane, lasciando così scorrere una corrente di corto-circuito, VDDche causa consumi di energia.

Sommario

Il sistema considerato per i circuiti digitali è quello

Le porte logiche sono dispositivi che eseguono funzioni logiche rappresentate da equazioni booleane. Si dividono in single inputs, two inputs e multiple inputs a seconda del numero di ingressi coinvolti.

Esistono diverse famiglie logiche e la loro compatibilità si verifica con condizioni imposte sulle soglie delle tensioni in uscita e in ingresso e con la corrispondenza della tensione di alimentazione.

Le soglie vengono imposte in modo da consentire al dispositivo ricevente di classificare il segnale in ingresso correttamente come un 1 o uno 0 logico, anche qualora dovesse essere degradato dal rumore.

Per la realizzazione delle porte logiche si utilizzano i transistor. I più utilizzati sono i transistor MOS realizzati drogando il silicio con elementi del 3 o del 5 gruppo per ottenere un elemento più conduttivo. Si ottiene nMOS se si ha eccesso di elettroni e pMOS con eccesso di lacune.

Il transistor nMOS è attivo quando la tensione di gate è un 1.

ingressi sono tutti uguali o meno e si costruisce di conseguenza la rete considerando una serie di MOS quando gli ingressi devono essere tutti uguali e un parallelo di MOS quando non lo sono.

Pseudo-nMOS: si sostituisce alla rete di pull-up realizzata con una serie di pMOS un unico pMOS debolmente acceso, cioè con il gate collegato a GND.

Mettendo in parallelo un nMOS e un pMOS si realizza invece il transmission gate.

Unendo transmission gate e porte logiche si ottengono i buffer a tre stati controllati dal segnale di enable, che disabilita o abilita la porta.

Per quanto riguarda il consumo di potenza, questo può essere statico o dinamico. È statico quando si consuma potenza anche se non c'è variazione del segnale, è corrente di perdita. P = V * I.

È dinamico quando c'è commutazione del segnale. Esempio: carica di una capacità quando segnale commuta da 0 a 1: P = 1/2 * C * V^2, con V = alimentazione, f = frequenza commutazione.

segnale.f V fSi consuma energia anche quando ci sono correnti di corto-circuito, come nel caso dello pseudo nMOS.

Circuiti combinatori

Circuito digitale

Circuito = rete che processa valori di variabili discrete. Ha terminali di input in ingresso, terminali di output in uscita, una funzione specifica che descrive la relazione tra ingresso e uscita e una temporizzazione specifica che descrive i ritardi tra la commutazione degli ingressi e la rispettiva risposta dell'uscita.

Un circuito è detto combinatorio se l'uscita dipende solamente dai valori correnti degli ingressi. È quindi senza memoria. Per realizzarlo è necessario seguire le seguenti regole:

1. Ogni elemento del circuito deve essere combinatorio
2. Ogni nodo del circuito deve essere o un input al circuito o deve connettere esattamente un terminale di output di un elemento del circuito
3. Non devono esserci cicli

Un circuito è detto sequenziale se l'uscita dipende dai valori correnti e precedenti degli ingressi.

Equazioni booleane

Somma di prodotti

Si scrive la tabella della verità

Si scrivono i mintermini, cioè prodotti che coinvolgono tutti gli ingressi presi per il loro valore vero se valgono 1, oppure complementati se valgono 0.

Si sommano i mintermini corrispondenti ad y = 1

Prodotto di somme

Si scrive la tabella della verità

Si scrivono i maxtermini, cioè somme che coinvolgono tutti gli ingressi presi per il loro valore vero se valgono 0, oppure