Esercizio 6rete di pass-transistor n-MOS a quattro vie, funzione, livelli e ritardo (tema d'esame luglio 2025)
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Testo (tema d'esame 2 luglio 2025, esercizio 3). Si consideri il circuito in figura.
- Determinare l'espressione della funzione logica .
- Disegnare lo schema elettrico del circuito che realizza la stessa funzione in logica CMOS statica a un singolo stadio, supponendo di avere gli ingressi sia in forma diretta sia negata.
- Supponendo che varino tra e , calcolare il massimo e il minimo valore della tensione ai capi di .
- Tracciare la transcaratteristica indicando i punti di spezzamento (con ).
- Con , , e portato istantaneamente da a , determinare il tipo di transizione (HL o LH) sul nodo di uscita e il relativo tempo di propagazione (tutti i transistor hanno e ).
Dati. ; ; ; ; ; ; (). Effetto body nullo.
Figura (descritta). Otto n-MOS disposti su quattro righe (ingressi dati, da sinistra: , , , ) e quattro colonne di controllo (, , , ). In ogni riga due n-MOS in serie collegano l'ingresso dato all'uscita : il primo ha il gate su una linea tra e , il secondo su una linea tra e . Righe: (1) con gate e ; (2) con gate e ; (3) con gate e ; (4) con gate e . Le uscite delle quattro righe sono collegate al nodo con verso massa.
Teoria usata: Logica a pass-transistor e gate di trasmissioneNella logica a pass-transistor gli ingressi pilotano sia i gate sia i terminali di source/drain di una rete di interruttori (N transistor per N ingressi, nessun consumo statico, alcune funzioni, come AND, MUX e XOR, richiedono pochi transistor). Gli n-MOS trasmettono bene gli 0 ma male gli 1 (V_DD − V_Tn, con effetto body: circa 1,8 V da 2,5 V), i p-MOS al contrario (V_Tp in modulo per lo 0): il livello degradato non è rigenerato e può far condurre un inverter successivo (consumo statico). Il gate di trasmissione (n-MOS e p-MOS in parallelo, con G e nG complementari) trasmette bene entrambi i livelli, con resistenza R_n‖R_p quasi costante, ma costa due transistor e raddoppia le capacità. Una catena di n pass-transistor ha ritardo ∝ n² (Elmore, 0,69 R C n(n+1)/2): si inseriscono buffer ogni m = 1,7√(t_buf/(R_eq C)) stadi.Logica a pass-transistor e gate di trasmissione →, Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacitàIl MOS ha quattro terminali (gate, source, drain, bulk); il bulk dell'n-MOS va a massa, quello del p-MOS a V_DD. Il canale esiste (inversione) per V_GS > V_T nell'n-MOS (V_T > 0) e per V_GS < V_T nel p-MOS (V_T < 0). La soglia cresce in modulo con la tensione di source rispetto al bulk (effetto body): V_T = V_T0 + γ(√|−2Φ_F+V_SB| − √|2Φ_F|). Corrente: lineare per V_DS < V_GS − V_T, I_D = k'(W/L)[(V_GS−V_T)V_DS − V_DS²/2]; saturazione per V_DS > V_GS − V_T, I_D = (k'/2)(W/L)(V_GS−V_T)²(1+λV_DS). In digitale il transistor è un interruttore con resistenza equivalente R_eq ∝ 1/Z (Z = W/L) e capacità di gate C_g = C_ox W L, di drain e source ∝ W. Raddoppiando Z la resistenza dimezza e le capacità raddoppiano.Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacità →, Porte logiche CMOS - struttura statica complementare e dimensionamentoUna porta CMOS statica complementare ha una rete di pull-down (PDN, n-MOS) verso massa e una di pull-up (PUN, p-MOS) verso V_DD, duali tra loro: serie ↔ parallelo. La PDN conduce quando la funzione f degli ingressi vale 1 e porta l'uscita a 0, quindi F = NOT f (le porte a uno stadio sono invertenti). Serie di n-MOS = AND, parallelo = OR; i p-MOS (chiusi con ingresso basso) fanno l'opposto. Escursione completa, nessun consumo statico, ritardo da R e C di uscita. Dimensionamento: si parte dall'inverter di riferimento (Z_n = 1, Z_p = r ≈ 2,4) e si scala ogni transistor del numero di transistor della serie peggiore a cui appartiene, così che la resistenza nel caso peggiore uguagli quella dell'inverter (NAND2: Z_n = 2, Z_p = r; NOR2: Z_n = 1, Z_p = 2r). Per un obiettivo R_pd = R*: Z_n = m R_n0/R* con m transistor in serie nel cammino peggiore. Per minimizzare la capacità di uscita si collegano all'uscita meno drain possibile.Porte logiche CMOS - struttura statica complementare e dimensionamento →.
1. Funzione logica
Una riga conduce solo se entrambi i suoi n-MOS sono accesi (AND dei due gate) e in tal caso trasferisce l'ingresso dati a : Raggruppando: , cioè un multiplexer con selettore . Per ogni combinazione di conduce una sola riga, quindi non ci sono conflitti sul nodo (verificato con Python su tutte le combinazioni).
2. Schema CMOS statico a uno stadio
Una porta CMOS a uno stadio è invertente: l'uscita è con la funzione della PDN. Si vuole , quindi la PDN deve realizzare usando i letterali (diretti e negati) di cui si dispone:
- PDN: quattro rami in parallelo, ciascuno con tre n-MOS in serie con i gate , , , : n-MOS.
- PUN (duale): quattro gruppi in serie, ciascuno con tre p-MOS in parallelo con gli stessi gate: p-MOS. Verifica: la PDN conduce se e solo se (controllata con Python per tutte le combinazioni). Rispetto alla rete a pass-transistor (8 n-MOS) servono transistor e gli ingressi negati: in cambio l'uscita ha livelli pieni (nessuna degradazione) ed è rigenerata.
3. Massimo e minimo di
Con effetto body nullo e ogni ingresso tra e la riga conduttiva trasferisce l'ingresso dati attraverso due n-MOS in serie con i gate a :
- un livello basso passa senza perdita: ;
- un livello alto: il primo n-MOS porta il nodo interno a (finché ); il secondo, con source a e gate a , è al limite () e non porta oltre. Quindi Aggiungere un secondo transistor in serie con lo stesso gate non degrada ulteriormente il livello.
4. Transcaratteristica con
Con conduce la riga ( con gate e ): finché (i transistor restano accesi: ), poi satura a : Punto di spezzamento: (). Tratto iniziale con pendenza .
Grafico interattivo: V_Z (V) in funzione di V_A (V) con V_C = V_D = V_DD = 3 V: V_Z = V_A fino a 2,4 V, poi costante a V_DD − V_Tn = 2,4 V
5. Transizione e ritardo
Prima di : , , (): conduce la riga ( con gate e ): . Quando sale a : scende a , la riga si spegne e si accende la riga ( con gate , ): si scarica verso . È una transizione HL (da a ).
Elementi del circuito. Resistenza di ciascun n-MOS (): ; .
- Nodo : più i quattro drain/source dei transistor di destra collegati a : .
- Nodo interno della riga (tra i due n-MOS): . Si trascurano i nodi interni delle righe spente (flottanti) e l'eventuale condivisione di carica con essi.
Elmore (due n-MOS in serie verso ; il transistor vicino a ha peso sul nodo interno, quello vicino a peso su ): Senza il nodo interno: . Il ritardo è dominato dal carico e dalla resistenza di (n-MOS piccoli).
Verifica numerica
Python: tabelle di verità della rete a pass-transistor e dello stadio CMOS ( e PDN su combinazioni); Elmore e integrazione numerica della scala RC a due nodi (– a seconda dello stato iniziale del nodo interno).
Errori comuni
- Dimenticare che vale o a seconda di : non è la OR di e .
- Pensare che il livello alto sia : con n-MOS in pass è .
- Calcolare il ritardo con una sola resistenza invece di due in serie.
- Realizzare la funzione in un solo stadio CMOS usando nella PDN: la PDN deve realizzare .
Versione ripasso
Testo. Quattro righe da due n-MOS in serie, con gate su , , , , che collegano gli ingressi e all'uscita ; fF; A/V, V senza body, V, m, k, fF/m (Logica a pass-transistor e gate di trasmissioneNella logica a pass-transistor gli ingressi pilotano sia i gate sia i terminali di source/drain di una rete di interruttori (N transistor per N ingressi, nessun consumo statico, alcune funzioni, come AND, MUX e XOR, richiedono pochi transistor). Gli n-MOS trasmettono bene gli 0 ma male gli 1 (V_DD − V_Tn, con effetto body: circa 1,8 V da 2,5 V), i p-MOS al contrario (V_Tp in modulo per lo 0): il livello degradato non è rigenerato e può far condurre un inverter successivo (consumo statico). Il gate di trasmissione (n-MOS e p-MOS in parallelo, con G e nG complementari) trasmette bene entrambi i livelli, con resistenza R_n‖R_p quasi costante, ma costa due transistor e raddoppia le capacità. Una catena di n pass-transistor ha ritardo ∝ n² (Elmore, 0,69 R C n(n+1)/2): si inseriscono buffer ogni m = 1,7√(t_buf/(R_eq C)) stadi.Logica a pass-transistor e gate di trasmissione →).
- Funzione: raccolto come : è un multiplexer con selettore . Per ogni combinazione di conduce una sola riga, quindi non ci sono conflitti (Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacitàIl MOS ha quattro terminali (gate, source, drain, bulk); il bulk dell'n-MOS va a massa, quello del p-MOS a V_DD. Il canale esiste (inversione) per V_GS > V_T nell'n-MOS (V_T > 0) e per V_GS < V_T nel p-MOS (V_T < 0). La soglia cresce in modulo con la tensione di source rispetto al bulk (effetto body): V_T = V_T0 + γ(√|−2Φ_F+V_SB| − √|2Φ_F|). Corrente: lineare per V_DS < V_GS − V_T, I_D = k'(W/L)[(V_GS−V_T)V_DS − V_DS²/2]; saturazione per V_DS > V_GS − V_T, I_D = (k'/2)(W/L)(V_GS−V_T)²(1+λV_DS). In digitale il transistor è un interruttore con resistenza equivalente R_eq ∝ 1/Z (Z = W/L) e capacità di gate C_g = C_ox W L, di drain e source ∝ W. Raddoppiando Z la resistenza dimezza e le capacità raddoppiano.Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacità →).
- Stadio CMOS a un solo livello: la PDN deve realizzare con letterali diretti e negati: quattro rami da tre n-MOS in parallelo, PUN duale con dodici p-MOS. Rispetto alla rete a pass-transistor (otto n-MOS) servono più transistor, ma l'uscita ha livelli pieni ed è rigenerata (Porte logiche CMOS - struttura statica complementare e dimensionamentoUna porta CMOS statica complementare ha una rete di pull-down (PDN, n-MOS) verso massa e una di pull-up (PUN, p-MOS) verso V_DD, duali tra loro: serie ↔ parallelo. La PDN conduce quando la funzione f degli ingressi vale 1 e porta l'uscita a 0, quindi F = NOT f (le porte a uno stadio sono invertenti). Serie di n-MOS = AND, parallelo = OR; i p-MOS (chiusi con ingresso basso) fanno l'opposto. Escursione completa, nessun consumo statico, ritardo da R e C di uscita. Dimensionamento: si parte dall'inverter di riferimento (Z_n = 1, Z_p = r ≈ 2,4) e si scala ogni transistor del numero di transistor della serie peggiore a cui appartiene, così che la resistenza nel caso peggiore uguagli quella dell'inverter (NAND2: Z_n = 2, Z_p = r; NOR2: Z_n = 1, Z_p = 2r). Per un obiettivo R_pd = R*: Z_n = m R_n0/R* con m transistor in serie nel cammino peggiore. Per minimizzare la capacità di uscita si collegano all'uscita meno drain possibile.Porte logiche CMOS - struttura statica complementare e dimensionamento →).
- Livelli: con ingressi tra e il livello basso passa senza perdita, . Il livello alto passa attraverso due n-MOS in serie con gate a e vale V. Un secondo transistor in serie con lo stesso gate non degrada ulteriormente il livello.
- Transcaratteristica con : conduce la riga con gate e , quindi . Il punto di spezzamento è V, con pendenza prima.
- Transizione con da a : prima conduce la riga (gate e ) e V; dopo, la riga (gate e ) scarica . La transizione è HL.
- Ritardo: k per transistor; fF; nodo interno fF. Elmore: ps, quindi ns (Porte logiche CMOS - ritardo di Elmore, fan-in e consumoIl ritardo di una porta dipende dalla configurazione degli ingressi: si calcola il caso peggiore (un solo cammino conduttivo, il più resistivo) e il caso migliore. Per una rete RC con transistor in serie si usa il ritardo di Elmore: t = 0,69 Σ_k C_k · R_k, con R_k la resistenza totale tra il nodo k e il generatore (massa o V_DD) lungo il cammino e C_k la capacità del nodo. Per NAND2 con R_n = R_p: t_pLH (caso peggiore) = 0,69 R_p C, t_pHL = 0,69·2R_n C, quindi t_pHL = 2 t_pLH; per NOR2 è l'opposto. Una NOR a N ingressi (tutti i transistor uguali, nodi interni trascurati): t_pLH = 0,69 R_p C N(N+1), t_pHL = 0,69 R_n C (N+1): il ritardo cresce col quadrato del fan-in, perciò si evitano fan-in maggiori di 4. Rimedi: dimensionamento progressivo (transistor più grandi dal lato opposto all'uscita), riordino degli ingressi (il più tardivo vicino all'uscita), cascata di porte con meno ingressi, buffer. La potenza dinamica dipende dalla probabilità di commutazione.Porte logiche CMOS - ritardo di Elmore, fan-in e consumo →).
- Errori: confondere la funzione con un OR di e ; attribuire al livello alto il valore invece di V; usare una sola resistenza invece delle due in serie; scrivere la PDN per invece che per .