Transístores de passagem e portas de transmissão

João Canas Ferreira

Universidade do PortoFaculdade de Engenharia

2014-05-06

Assuntos

1 Transístores de passagem

2 Portas de transmissão

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Circuitos lógicos com transístores de passagemà Transístores NMOS usados como interrutores (controlados por tensão)

Fonte: [Rabaey03]

à Garantir que não existe contenção nos nós externosà Sinal à saída da rede de interrutores deve ser "restaurado"à Caraterísticas:

I Usa menor número de transístoresI Não tem consumo estático

I Atenção ao buffer de saída

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Tensão de saídaà A tensão correspondente a “1” é degradada pela rede de transístores NMOS.

VDD

In

x Out

0 0.5 1 1.5 20.0

1.0

2.0

3.0

Time [ns]

Vo

ltage

[V]

xOut

In

Fonte: [Rabaey03]

I VX = VDD − VT

I Pode existir consumo estático no inversor de saídaI Pode ser vantajoso alterar VM

I Transístor NMOS sujeito a efeito de corpo (aumento de VT)I Resistência do interrutor cresce quando a tensão de saída se aproxima de

Vin − VT (zona linear)I Ligar drenos a portas de transístores aumenta degradação da saída

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Interruptor NMOS

VB = VDD − VT = VDD − (VT0 + γ(√|2ΦF |+ VSB −

√|2ΦF |) ≈ 1,8 V

A = 2.5 V

B

C = 2.5 V

CL

Fonte: [Rabaey03]

A = 2.5 V

C = 2.5 V

BM 2

M 1

M n

I VB não atinge 2,5 V, mas apenas 2,5 V-VT.I Existe consumo de potência estática na porta seguinte.I Transístor NMOS está sujeito a efeito de corpo, com aumento da tensão

de limiar.I Resistência do interruptor cresce quando a tensão de saída VB se

aproxima de VA − VT (funcionamento na zona linear).João Canas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 5 / 20

Curvas de transferênciaà As curvas de transferência deste tipo de circuito são muito diferentes dascurvas associadas a portas CMOS complexas.

Fonte: [Rabaey03]

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Circuitos do tipo CPTL

I CPTL = complementary pass transistor logicI Valores complementares sempre disponíveisI Todas as portas têm a mesma topologiaI Pode ser necessário usar portas com VT=0, para compensar a ligação de fontes a portas.

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Recuperação de nível de tensão

M2

M1

Mn

M r

OutA

B

VDDVDDLevel Restorer

X

Problema no nó X durante asua transição H→L: descargavia Mn é contrariada por pull-up via Mr.

Fonte: [Rabaey03]

I Variação completa da amplitude (rail-to-rail)I Transístor de recuperação aumenta a capacidade em do nó XI Problema de dimensionamento (ratioed circuit)

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Dimensionamento do transístor de restauro

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

Fonte: [Rabaey03]

I Existe um limite superior para a dimensão do transístor de restauro.I Pull-down via transístor de restauração pode ser uma cadeia de vários

transístores NMOS.I Mr aumenta o tempo de subida, diminui tempo de descida.I Capacidade acrescida em X torna a porta mais lenta.

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Emprego de transístores com Vt=0

Fonte: [Rabaey03]

I Correntes de fuga podem ser significativas quando a comutação não éfrequente.

I Continua a existir efeito de corpo.

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Assuntos

1 Transístores de passagem

2 Portas de transmissão

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Porta de transmissão

A B

C

C

A B

C

C

BCL

C = 0 V

A = 2.5 V

C = 2.5 V

Fonte: [Rabaey03]

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

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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 =1

Req≈ kn(VDD − VTN) + kp(VDD − |VTP|)

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Multiplexador de portas de transmissão

AM2

M1

B

S

S

S F

VDD

VDD

S S

GND

In1 In2S S

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Porta XOR com portas de transmissão

A

B

F

B

A

B

BM1

M2

M3/M4

saída F

I Implementação complementar requer 12 transístores.I Analisar separadamente os casos B=1 e B=0.I A saída (nó F) tem sempre um percurso de baixa resistência para as

alimentações.

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Atraso em cadeias 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

Fonte: [Rabaey03]

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Otimização do atrasoAtraso de cadeia RC

tp = 0,69n∑

k=0

C Reqk = 0,69 C Reqn(n + 1)

2

Atraso de cadeia RC com buffersI n: número de portas da cadeia m: número de portas por segmento

tp = 0,69⌊

nm

C Reqm(m + 1)

2

⌋+( n

m− 1)

tbuf

= 0,69⌊C Req

n(m + 1)

2

⌋+( n

m− 1)

tbuf

Número ótimo de portas por segmento

mopt = 1,7

√tbuf

C Req

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Exemplo: atraso de uma cadeia de portas de transmissão

Fonte: [Rabaey03]

à 16 portas de transmissão, 8 kΩ, 3,6 fF: 2,7 psJoão Canas Ferreira (FEUP) Transístores de passagem e portas de transmissão 2014-05-06 18 / 20

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

SetupFonte: [Rabaey03]

I Atrasos semelhantes para a soma e otransporte

I Usa 24 transístores em vez de 28

S = A ⊕ B ⊕ CS = AB C + ABC + A BC + ABCCo = AB + BC + ACG = AB D = A B P = A ⊕ BCo(G, P) = G + PCS(G, P) = P ⊕ C

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Referências

à As figuras usadas provêm do seguinte livro:

Rabaey03 J. M. Rabaey et al, Digital Integrated Circuits, 2ª edição,PrenticeHall, 2003.http://bwrc.eecs.berkeley.edu/icbook/

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