VLSI Transístores de passagem  1Transístores de passagem  1

FEUP/DEECNovembro de 2007

Transístores de passagemJoão Canas Ferreira

Tópicos deProjecto de Circuitos VLSI

VLSI Transístores de passagem  2Transístores de passagem  2

Conteúdo

Inclui figuras de:J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic

Digital Integrated Circuits, 2ª ed, Prentice­Hall

 Transístores de passagem Portas de transmissão

VLSI Transístores de passagem  3Transístores de passagem  3

B

B

A

F = AB

0

Circuitos lógicos com transístores de passagem

Inputs

Switch

Network

OutOut

A

B

B

B

• N transistors

• No static consumption

VLSI Transístores de passagem  4Transístores de passagem  4

Utilização de transístores NMOS

VDD

In

Outx

0.5m/0.25m0.5m/0.25m

1.5m/0.25m

0 0.5 1 1.5 20.0

1.0

2.0

3.0

Time [ns]

Vo

ltage

[V]

xOut

In

VLSI Transístores de passagem  5Transístores de passagem  5

Interruptor NMOS

•VB não atinge 2.5V, mas apenas 2.5V­Vtn

•Existe consumo de potência estática•Transístor NMOS está sujeito a efeito de corpo, com aumento da tensão de limiar

•Resistência do interruptor cresce quando a tensão de saída se aproxima de Vin­Vtn (zona linear)

A = 2.5 V

C = 2.5 V

BM2

M1

Mn

A = 2.5 VB

C = 2.5  V

CL

V B=V DD−V tn=V DD−V tn0 ∣2F∣V B− ∣2F∣

1.8V

Consumo estático!

VLSI Transístores de passagem  6Transístores de passagem  6

Curva de transferência de porta AND

VLSI Transístores de passagem  7Transístores de passagem  7

PTL complementar

A

B

A

B

B B B B

A

B

A

B

F=AB

F=AB

F=A+B

F=A+B

B B

A

A

A

A

F=AÝ

F=AÝ

OR/NOR EXOR/NEXORAND/NAND

F

F

Pass-Transistor

Network

Pass-TransistorNetwork

AABB

AABB

Inverse

(a)

(b)

•Valores complementares sempre disponíveis•Todas as portas têm a mesma topologia•Pode ser necessário usar portas com Vth=0, para compensar a ligação de fontes a  portas de transístores.

CPTL = complementary pass­transistor  logic

Muito eficiente parasomadores emultiplicadores.

VLSI Transístores de passagem  8Transístores de passagem  8

Recuperação de nível

•Variação "completa" da amplitude (0V;VDD)

•Transístor de recuperação aumenta a capacidade em X

•Problema de dimensionamento (ratioed circuit)

M2

M1

Mn

M r

OutA

B

VDDVDDLevel Restorer

X

Problema no nó X durante a sua transição HL:descarga via Mn é contrariada por pull­up via Mr.

VLSI Transístores de passagem  9Transístores de passagem  9

Dimensionamento do transístor de recuperação

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

Vol

tage

[V]

Time [ps]

3.0

•Existe um limite superior para a dimensão do transístor de restauração do sinal.•Pull­down via transístor de restauração pode ser uma cadeia de vários transístores NMOS. 

•Mr aumenta o tempo de subida, diminui tempo de descida.

•Capacidade acrescida em X torna a porta mais lenta.

VLSI Transístores de passagem  10Transístores de passagem  10

Emprego de transístores com Vt=0

Out

VDD

VDD

2.5V

VDD

0V 2.5V

0V

•Correntes de fuga podem ser significativas quando a comutação não é frequente.

•Continua a existir efeito de corpo.

VLSI Transístores de passagem  11Transístores de passagem  11

Conteúdo

Inclui figuras de:J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic

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 Transístores de passagem Portas de transmissão

VLSI Transístores de passagem  12Transístores de passagem  12

Porta de transmissão

A B

C

C

A B

C

C

BCL

C = 0 V

A = 2.5 VC = 2.5 V

A utilização de portas de transmissão tem vindo a decrescer. Porquê?

VLSI Transístores de passagem  13Transístores de passagem  13

Resistência de uma porta de transmissão

Vout

0 V

2.5 V

2.5 VRn

Rp

0 . 0 1 . 0 2 .00

1 0

2 0

3 0

Vout, V

Res

ista

nce

, oh

ms

Rn

Rp

Rn || Rp

Geq=1Req

≈k n V DD−V tnk p V DD−∣V tp∣

VLSI Transístores de passagem  14Transístores de passagem  14

Multiplexador de portas de transmissão

A M2

M1

B

S

S

S F

VDD

VDD

S S

GNDIn1 In2S S

VLSI Transístores de passagem  15Transístores de passagem  15

Porta XOR com portas de transmissão

A

B

F

B

A

B

BM1

M2

M3/M4

•Analisar separadamente os casos B=1 e B=0.•A saída (nó F) tem sempre um percurso de baixa resistência para as alimentações.

saída FImplementação complementar requer 12 transístores.

VLSI Transístores de passagem  16Transístores de passagem  16

Atraso em redes de portas de transmissão

V1 Vi­1

C

2.5 2.5

0 0

Vi Vi+1

CC

2.5

0

Vn­1 Vn

CC

2.5

0

In

V1 Vi Vi+1

C

Vn­1 Vn

CC

InReqReq Req Req

CC

(a)

(b)

C

Req Req

C C

Req

C C

Req Req

C C

Req

CIn

m

VLSI Transístores de passagem  17Transístores de passagem  17

Optimização do atraso

VLSI Transístores de passagem  18Transístores de passagem  18

Atraso de uma cadeia de portas de transmissão

16  portas de transmissão, 8 K, 3.6 fF  : 2.7 ps

VLSI Transístores de passagem  19Transístores de passagem  19

Exemplo adicional: somador completo

A

B

P

Ci

VDDA

A A

VDD

Ci

A

P

AB

VDD

VDD

Ci

Ci

Co

S

Ci

P

P

P

P

P

Sum Generation

Carry Generation

Setup

•Atrasos semelhantes para a soma e o transporte•Usa 24 transístores em vez de 28

S=XOR XORA , B ,C S=A B CAB CA BCABCC o=ABBCACG=ABD=A BP=XORA , BC oG , P =GPCS G ,P =XOR P ,C