Transistorn en omkopplare utan rörliga delar

Transkript

1 Transistorn en omkopplare utan rörliga delar Gate Source Drain Principskiss för SiGe transistor (KTH)

2 Varför CMOS? CMOS-Transistorer är enkla att tillverka CMOS-Transistorer är gjorda av vanlig sand => billigt råmaterial En transistor är lätt att få att fungera som en switch (omkopplare)

3 P och N MOS-transistorer Pull Up Pull Down 1 0

4 Strukturen av en CMOS-krets Två olika nät: PMOS gör kretsens utgång 1 NMOS gör kretsens utgång 0

5 Inverteraren V DD T 1 En CMOS-krets består av både PMOS och NMOS-kretsar. CMOS står för (Complementary MOS). V x V f x T 1 T 2 T on off off on f 1 0 (a) Circuit (b) Truth table and transistor states Area: A inverter = 2 Transistors

6 CMOS-inverterarens spänningsnivåer Utspänning V f 1 V x V DD T 1 V f 0 T Inspänning V x

7 Typiska signalnivåver för CMOS V Hmax Utgångsspänningar V O och ingångsspänningar V I passar varandra som hand i handske, och med marginal! V OHmin V OLmax V IHmin V ILmax V Lmin Matningsspänning 5.0V 3.3V 1.8V V HMAX V IHMIN V LMAX V LMIN Marginal er!

8 En instabil punkt! V out VDD CMOS-kretsen har en mycket stabil överföringsfunktion Vid V in =V DD /2 finns en instabil punkt, då både T 1 och T 2 leder. Om en krets tillfälligt fastnar i detta läge så inträder ett tillstånd som kallas för metastabilitet. VDD Instabil punkt V in Om detta tillstånd varar för länge så kan transistorerna i kretsen skadas pga den höga strömmen. Vi återkommer till metastabilitet

9 CMOS - Dynamisk förlusteffekt! Klassisk CMOS har bara förlusteffekt precis vid omslaget. Förlusteffekten P F blir proportionell mot klockfrekvensen! P V f C 2 f C P f F F C DD f C V Power 2 DD losses Clockfrequency Supply Voltage

10 NAND-grinden VDD VA VB VOH V A V B V OH V SS (0) V SS (0) V DD (1) V SS (0) V DD (1) V DD (1) V DD (1) V SS (0) V DD (1) V DD (1) V DD (1) V SS (0) VSS Area: A NAND = 4 Transistors

11 NOR-grinden VDD VA VB VOH V A V B V OH V SS (0) V SS (0) V DD (1) V SS (0) V DD (1) V SS (0) V DD (1) V SS (0) V SS (0) V DD (1) V DD (1) V SS (0) VSS Area: A NOR = 4 Transistors

12 Negativ logik? Man kan också vända på begreppen och låta L (låg spänning) representera en logisk 1:a och låta H (hög spänning) representera en logisk 0:a. Detta kallas för negativ logik. En AND-funktion blir då en OR-funktion och vice versa. Negativ logik eller positiv logik är egentligen egalt, men av tradition använder man sig av positiv logik.

13 Three-state? En CMOS-grind kan förutom 1 eller 0 även förses med ett tredje utgångstillstånd Three-state Z ( = frånkopplad utgång ). Om många utgångar kopplas ihop till samma tråd ( buss ) så kan ju bara en av utgångarna åt gången få vara aktiv. De övriga hålls i Threestatetillståndet.

14 Three state Z Y = A Y ='Z'

15 Transmissionsgrinden (Pass gate) E A Q A E Q E Utan att gå in på kretsdetaljerna så består en transmissionsgrind av en PMOS-transistor i parallell med en NMOS-transistor. Grinden styrs med E (och E ) och är då att jämföra med en vanlig kontakt. En signal kan gå från A till Q, men även baklänges från Q till A. Transmissionsgrindskopplingar utnyttjar färre transistorer än andra grindar, men har sämre drivförmåga. Area: A TG = 2 Transistors

16 ( Transmissionsgrinden ) E E A Q A Q E E V A V E V OH L L Z L H L H L Z H H H

17 Vad är en multiplexor, MUX? En multiplexor är en dataväljare. Q=XS+YS X Y 1 0 Q X Y Q S S

18 Förenklat ritsätt Exempel: MUX X Y Q X Y 1 0 S Q Q=XS+YS S X Y Q S Av inverteraren blir endast ringen kvar. Mellanliggande ledningar underförstås.

19 MUX med transmissionsgrind 2 MOS Sel X 2 MOS 2 MOS Y Q Area: A mux = 6 Transistors

20 XOR med transmissionsgrind A B 2 MOS 2 MOS 2 MOS 2 MOS F = A B Area: A XOR = 8 Transistors Knappast självklart?

21 ( XOR med transmissionsgrind ) A B F F = B F = B

22

23 Fördröjningar i kretsar Alla ledningar i elektronikkretsar har kapacitans. Det tar ett tag för spänningar att nå slutvärdet. Dessa fördröjningar i kretsar och mellan kretsar begränsar snabbheten.

24 Typiska fördröjningar NAND,NOR, NOT NOT NAND-NAND AND-OR XOR,XNOR,MUX T NAND=standard T ½ T, 1T (om NAND-grind) 2T (2 NAND i rad) XOR,MUX (med TG) 2T 4T, 3T (NAND-NOT+NOR-NOT) 3 5T

25 Optimerade strukturer för MUX DeMorgan AND-OR NAND-NAND Area: A MUX = =20 Transistorer Delay: T MUX = 5T NAND Area: A MUX =2+4+4 = = 10 Transistorer Delay: T MUX = 3T NAND Area: A MUX = 6 Transistorer Delay: T MUX = ~2T NAND Bäst!

26 Optimerade strukturer för XOR DeMorgan Area: A XOR = =22 Transistorer Delay: T XOR =5T NAND Area: A XOR = =12 Transistorer Delay: T XOR =3T NAND Nand only Area: A XOR = =16 Transistorer Delay: T XOR =3T NAND Area: A XOR =8 Transistorer Delay: T XOR =~2T NAND Bäst!

27 Fan-out och Fan-in Fan-out - en utgång driver många ingångar. Utgången lastas ned med summan av ingångarnas kapacitanserna => fördröjningen T blir last-beroende. Fan-in - en grind har många ingångar. Detta medför att den har fler inre kapacitancer => den inre fördröjningen T i (även kallad den intrinsiska fördröjningen) blir större.

28 Grindar med flera ingångar VA VB VC T i VDD VQ Man använder sällan grindar med fler än fyra ingångar. Lång rad av seriekopplade transistorer ger långsam funktion! 3-input NAND VSS

29 Hög Fan-in löses med trädstrukturer DeMorgan Till priset av ökat grind-djup (fördröjning) ( c) b a c b a = ) ( ) ( d c b a d c b a = d c b a d c b a = + ) ( ) (

30 Fler trädstrukturer a + b + c + d = ( a + b) + ( c + d) a b c d = ( a b) ( c d) Till priset av ökat grind-djup (fördröjning), men effekten av inre kapacitanser hade blivit värre. a b c d = ( a b) ( c d) Kan Du bevisa dessa likheter?

31 Fan-out Antalet grindar som en grind driver betecknas som fan-out Alla grindar som drivs ökar den kapacitativa lasten x N 1 f To inputs of n other inverters x V f To inputs of n other inverters C n = n C (a) Inverter that drives n other inverters (b) Equivalent circuit for timing purposes

32 Fan-out Fördröjningen för olika fan-outs V f for n = 1 V DD V f for n = 4 Gnd 0 Time

33 Buffer En buffer är en krets som implementerar funktionen f(x) = x ( det vill säga ut = in ) Idén med bufferten är att ökar drivförmågan av kapacitativa laster - För att öka drivförmågan så använder man större transistorer - Buffrar kan dimensioneras så att de kan driva större strömmar

34 Hög Fan-out använd buffer W 3W x En f x En f 0 0 Z Z En x f Non-inverting Buffer High-Fan-Out Buffer Tri-state Buffer

35 Critical path (den längsta vägen) x x x2 x x2 x1 x2 f = + + x 0 x 1 x 2 f Vilken väg till utgången tar längst tid? x 0 x 1 x 2?

36 Critical path x x x2 x x2 x1 x2 f = + + x 0 x 1 x 2 f x 0 x 1 x 2 passerar alla var sin NOT, AND, och OR, på vägen mot utgången f, men x 2 belastas av tre ingångar, x 0 och x 1 bara av två. Critical path blir x 2!

37

38 Look-up-tables (LUT) Programmable cells 0/1 0/1 0/ A LUT with n inputs can realize all combinational functions with n inputs The usual size in an FPGA is n=4 f 0/1 0 x 2 x 1 Two-input LUT

39 Ex. XOR-funktion Programmed values 0 1 Multiplexer x 2 x Two-input LUT 1 0 f x 1 x2 f

40

41 7400-series standard chips

42 Standardkretsarna används mest som reservdelar Inte så dyra! Men många fler än skolorna behöver kretsarna. Det finns många kvar i lager

43 Implementering av en logisk funktion V DD 7404 f = + x x x 1 2 2x x 1 x 2 x 3 f

44 Kopplingsdäcksimulator Inför laborationerna ska Du prova att koppla upp kretsarna med en kopplingsdäcksimulator! f = + x x x 1 2 2x3

45 Kommer Du ihåg? Trevägs ljuskontroll Brown/Vranesic: Antag att vi behöver kunna tända/släcka vardagsrummet från tre olika ställen. x 3 x 2 f x 1 x 2 x 3 f x 1

46 Trevägs ljuskontroll x 1 x 2 x 3 f f = m( 1,2,4,7) = x1x2 x3 + x1x2 x3 + x1x2 x3 + x1x2 x 3

47 NAND-NAND Om vi byter till NAND-NAND så finns alla grindarna till simulatorn. x 1 x 2 x 3 f

48 Du måste skriva dit pin-nummer i schemat annars kommer Du att villa bort dig! 2:1 2:2 2:13 2:12 x 3 1:2 1:1 1:4 1:3 1:12 1:13 2:10 2:11 2:9 3:1 3:13 3:2 #1 #2 #3 #4 3:3 3:4 3:5 2:8 3:12 3:6 4:1 4:2 4:4 4:5 4:6 x 1 x

49 Simulera!

50 Färdig fil finns Färdig JBB-simuleringsfil finns. Lägg den i circuitsmappen. ThreeWaySwitch.cir

51

52 Sammanfattning Logiska grindar kan implementeras med CMOS-teknologin CMOS-kretsar har en fördröjning CMOS-kretsar förbrukar relativ lite effekt

53 Facebooks första serverhall i Luleå. Argumenten är kylan och ett elnät som inte haft avbrott sedan 1979.

54 Facebooks serverhall i Luleå Driften av de tusentals servrarna slukar enorma mängder energi. Fullt utbyggd kräver anläggningen 120 MW, mer än SSAB:s stålverk!

55 Hur skulle världen vara utan CMOS?

56