Funzione realizzata in logica CMOS + dimensionamento

[djanthony93]

Ciao a tutti, sto studiando come realizzare in logica CMOS delle semplici funzioni e come dimensionarle in base ai vincoli imposti sui tempi di propagazione. Gli esempi sul mio testo di riferimento si fermano a spiegare come dimensionare i MOS in semplici porte NAND e NOR, ho però difficoltà con funzioni complesse. L'unico esempio che ho è questo, potete spiegarmi come ci si arriva a quel risultato e come dimensionare i vari MOS del circuito? Grazie in anticipo.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

[rugweri]

Per quanto riguarda il dimensionamento, lascio la parola ad altri... per il design del circuito, puoi seguire delle semplici "regolette":

1 - Guarda i nMOS come interruttori: in stato alto (1) sono dei corto circuiti, in stato basso (0) dei circuiti aperti. Per i pMOS, puoi ragionare dualmente (ma di fatto, come vedrai dalle regole successive, per disegnare il circuito non ti servirà ri-analizzare la parte pMOS: sfrutteremo la proprietà di dualità per semplificare le cose)

2 - Per disegnare la parte nMOS:
- Se hai un AND, metti i transistor in serie (la "catena" di transistor condurrà solo se tutti saranno in stato 1, ottenendo di fatto "l'equivalente" di una funzione AND)
- Se hai un OR, metti i transistor in parallelo (stesso ragionamento appena visto per AND)

3 - Per disegnare la parte pMOS, trasforma le serie nMOS in paralleli e i paralleli nMOS in serie


Facciamo insieme l'esercizio che hai proposto (ricordando che le porte logiche costruite saranno in logica negativa, e quindi potremo "non curarci" del NOT che "grava" sulla nostra funzione logica):

-> Prima parentesi: ABC + DE. Ovvero, A in serie a B in serie a C, tutto in parallelo alla serie di D ed E.

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-> Seconda parentesi: FG+H. Ragionando come sopra, abbiamo H in parallelo alla serie di F e G.

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-> Uniamo le due parentesi: tra di loro c'è un AND. Dobbiamo pertanto mettere in serie i due circuiti ricavati.

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-> Sviluppiamo la parte pMOS: come abbiamo visto sopra, basta trasformare le serie in paralleli e viceversa.

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-> Uniamo le due parti, e otteniamo il circuito che volevamo:

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[Riccardo15]

DIMENSIONAMENTO

Allora ciò che si fa è fare in modo che il circuito nel caso peggiore, possa essere ricondotto ad un invertitore equivalente. Le cui generiche dimensioni di larghezza di canale sono Weq-n per i mosfet-n ed Weq-p per i mosfet-p.

Affinchè ciò sia possibile bisogna dimensionare i mosfet in maniera tale che la loro resistenza di conduzione nel caso peggiore sia la stessa dell'invertitore equivalente.

Per cui vediamo come ad esempio dimensionare sia il pull-down che il pull-up:

1- seleziono il cammino con il maggior numero di mosfet in serie (questo è il caso peggiore)
2- la loro Ron essendo collegati in serie dovrà essere Ron-eq/n, ma essendo Ron inversamente proporzionale ad W, possiamo altrettanto dire che la loro W dovrà essere Weq*n
3- dopodichè iterativamente seleziono i cammini meno peggiori, dimensionando le W proporzionalmente finché non si dimensionano tutti i mosfet.

Nel tuo caso il cammino peggiore è il cammino A-B-V-F-G che dovranno avere una Ron = Ron-eq/5, quindi W = Weq-n*5
Restano D-E-H , selezionando quindi il cammino D-E-F-G , le Ron di F e G sono Ron-eq/5 (insiemi sono 2/5 di Ron) per cui le Ron di D ed E saranno Req*(3/10), dunque W = Weq*(10/3).
Infine seleziono A-B-V-H, per cui la W di h sarà W = Weq-n*(5/2)

Nel tuo esempio Weq-n = W_1/5.

Per cui Wa = Wb = Wv = Wf = Wg = W_1.
Wd = We = W_1*(2/3)
Wh = W_1/2

Con lo stesso procedimento riesci a fare il pull-up, te lo lascio come esercizio.

[djanthony93]

DIMENSIONAMENTO

Restano D-E-H , selezionando quindi il cammino D-E-F-G , le Ron di F e G sono Ron-eq/5 (insiemi sono 2/5 di Ron) per cui le Ron di D ed E saranno Req*(3/10), dunque W = Weq*(10/3).

Innanzitutto grazie ad entrambi per le risposte, tutto chiaro.
Sul circuito al posto della V ci dovrebbe essere una C e al posto della E più in basso una F, pardon

Tornando al problema del dimensionamento io mi sono bloccato al punto in cui ho quotato. Allora ok che le resistenze a sinistra vengono ridimensionate Ron-eq/5 ma poi perché D ed E req*(3/10)?

[Riccardo15]

Come ti ho detto in precedenza si seleziona di volta in volta i cammini con il numero maggiore di mosfet in serie (in senso decrescente).

Quindi dopo A-B-V-F-G (5 mosfet), selezioniamo D-E-F-G per dimensionare anche D ed E.

Ora la Ron di questo percorso deve essere ancora una volta uguale a quella dell'invertitore equivalente (Ron-eq).
Non possiamo considerare Ron-eq/4 per D e per E, in quanto abbiamo già dimensionato quelle di F e G ad Ron-eq/5.
Quindi la loro somma non darebbe Ron-eq se seguissimo tale strada ma (9/10)*Ron-eq.

Per cui la Ron di F e G dovrà essere Ron-eq*(3/10). (o alternativamente 1,5/5) Infatti:

Ron-F + Ron-G + Ron-D + Ron-E = Ron-eq*( 3/10 + 3/10 + 1/5 + 1/5) = Ron-eq.

Quindi in conclusione la somma delle resistenze di conduzione del percorso deve sempre dare Ron-eq.