Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

128
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais Mistos Jader A. De Lima UFSC, 2013 Circuitos Lógicos Básicos: Portas Lógicas, Biestáveis, Máquinas de Estado Prof. Jader A. De Lima

Transcript of Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Page 1: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Circuitos Lógicos Básicos: Portas Lógicas,

Biestáveis, Máquinas de Estado

Prof. Jader A. De Lima

Page 2: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

VDD

VSS (GND)

dg

sb

gd

sb

Vin Vout

Vgs+

-

Vgs+

-

MN

MP

VSS

VDD VDD

VSSCout0

1

0

1

• CMOS inverter

Page 3: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

VDD

VSS (GND)

dg

sb

gd

sb

Vin Vout

Vgs+

-

Vgs+

-

MN

MP

VSS

VDD VDD

VSSCout0

1

0

1

Page 4: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 5: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Margem de Ruído do Inversor

Page 6: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Determines the maximum noise voltage at input of inverter – or logic gate - that does not affect the logic state at output.

• This margin – or noise immunity – is defined in terms of parameters NML (Low Noise-Margin) and NMH (High Noise-Margin).

NML = VILmax -VOLmax

NMH = VOHmin - VIHmin

Page 7: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 8: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

At condition βn = βp one has:

NMH = (3VDD - 5VTHP - 3VTHN ) / 8

NML = (3VDD + 3VTHP +5VTHN ) / 8

⇒ Noise margins

a. for fixed values of threshold voltage, they decrease with VDD

Page 9: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Ex: for VTHN = - VTHP = 0.2 VDD ,

NML = NMH = (3 + 1 - 0.6) VDD / 8 = 0.425 VDD

If VDD = 2.5V → NML = NMH = 1.06V

VDD = 1.5V → NML = NMH = 0.63V

⇒The inverter may be subject to swithcing noise at its input and present a false output transistion

Page 10: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

The regenerative property of inverter chain:

Page 11: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 12: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 13: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

SCHMITT TRIGGER

Page 14: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• converter um sinal de entrada ruidoso e/ou lentamente variando no tempo em um sinal digital “limpo” e de transição abrupta

Page 15: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

⇒ as tensões de comutação dependem de βn/βp entre os transistores

Page 16: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Supondo Vin = 0 inicialmente, tem-se, também, Vout = 0

• A malha de realimentação polariza M4 de modo a conduzir,

enquanto M3 permanece cortado

• O sinal de entrada é então conectado, efetivamente, a dois PMOS pull-up em paralelo (M2 e M4) e a apenas um NMOS pull-down

⇒βM1/(βM2+βM4) alterada, aumentando a tensão de comutação do ST em relação ao

valor do inversor (βM1/βM2)

⇒ Quando o circuito comuta, a realimentação corta M4, ativando M3, o qual, em

paralelo com M1, acelera a transição

⇒ Alto ganho de malha (realimentação positiva) durante a comutação causa uma transição abrupta.

Page 17: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 18: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Implementação típica de um circuito ST CMOS

Page 19: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Most noise in a digital system is internally generated, and the noise value is proportional to the signal swing (i.e., to VDD!)

Ex: capacitive and inductive cross talk and internally-generated power supply noise

Page 20: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Switching noise from capacitive coupling

i) through interconnecting lines ii) introduced by power bus

Ref: “CMOS Digital Circuit Technology”, Shoji M., Prentice-Hall.

Page 21: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A

BD1

D2

resistencia da linha

resistencia equivalente MOS

VA

VB

"1"

C

VC

i) noise coupling through interconnections

Page 22: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( )

+

−+

=10

DD10

1B

CCR

1expV

CC

C)t(V

Worst-case: superposition of lines: C1 = C0 e VBpeak = 1/2VDD

Assuming C1 + C0 = 2pF (1cm) and R = 5KΩ, spike duration is ≅ 10ns!

metal-metal

Page 23: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( ) 5.0D10

10

1

L.R

R

Cm

LCC

CC

Cpeak

+

+=

if C1 + C0 = 2pF, (C0+C1)L/Cm = 1 and RD/(R.L) = 1/7⇒ spike amplitude ≅ 0.1VDD

poly-metal

Page 24: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( ) 210spike xCCR1.1t +=

If R = 4Ω/ , tspike = 2.7ns for x = 2mm (narrow pulse)

metal-poly

Page 25: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Spike amplitude ; 0.05VDD (not important!)

poly-poly

Page 26: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ii) Noise through Power Bus (VDD e GND)

• signal flow in the digital system is controlled by a clock, so that all transitions become synchronized.

• in every transition at a CMOS gate, there´s a current flowing from VDD e GND, besides the transient component due to load capacitance

charge/discharge.

⇒ Great number of simultaneous transitions all over the digital circuit leads to meaningful current spikes IDD and IGND

Page 27: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vo Vo - Vn

Vn

D1

N1

VDD

VSS

VDD'

VSS'

Portas

In

pad

pad

Page 28: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• changes in VDD e GND voltages due to distribuited resistance (R)

and inductance indutância (L) in power buses

∆Vres = R x I

∆Vind = L (dI/dt)max

• As (dI/dt)max = k (1/Tswt), where Tswt is the switching time of a

logic gate and k is a constant, function of the waveform

⇒∆Vind / ∆Vres = k (L / R) (Tswt/I)

where L/R is the power line time constant (on-chip metallization + Bond wirings + packaging + PCB tracks)

Page 29: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• interconnect in IC packaging

Bonding wires have inferior electrical properties:

• high individual inductance (+5 nH ) and mutual inductance with neighboring signals.

• Typically 1 nH/mm, while the inductance per package pin 7 - 40 nH (per pin)

Page 30: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Tape-automated bonding (TAB) places bare ICs onto PCB by attaching them to a polyamide film (ex: LCD display driver circuits)

Page 31: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 32: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 33: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Surface Mounting Devices (SMD)

Page 34: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Ball Grid Array (BGA)

Page 35: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 36: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Condutors L (nH/cm) R (Ω/cm) L/R (ns) Aluminum

Wire (1 mil) 7.37 0.58 12.80

VDD Line (100µm)

7.42 2.82 2.63

VDD Line (40µm)

9.21 7.06 1.30

VDD Line

(20µm)

10.59 14.12 0.75

VDD Line (5µm) 13.36 56.4 0.24

Page 37: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

i) rising time: swing from 10% to 90% of final valueii) fall time: swing from 90% to 10% of final valueiii) delay time: 50% of input transition to 50% of output transition

Page 38: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vin(t)

Ids

Assuming VTHN = 0.2 VDD, ⇒ tf = 4 CL / (βn VDD )

Page 39: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Idsn

t = 0

VDD

VSS

CL Vout

Saturação: Vout > VDD - Vthn

IcIdsn

VDD

VSS

CL Vout

Linear: 0 < Vout < VDD - Vthn

IcRch

Transição Negativa à Saida

Vout

Saturação: Vout < - VDD + Vthp Linear: - VDD + Vthp < Vout < 0

Transição Positiva à Saida

Idsp

t = 0

VDD

VSS

CLIc

Idsp

VDD

VSS

CLIc

Rch

MOSFET P

MOSFET N

MOSFET P

MOSFET N

Page 40: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• CMOS inverter simmetry ⇒ similar approximation can be used to evaluate the rise time

for VTHP = - 0.2 VDD , ⇒ tr = 4 CL / (βp VDD )

Imposing βn = βp , or, µn (W/L)n = µp (W/L)p,

⇒ tf = tr

CMOS Inverter Rise Time

Page 41: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 42: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• leakage current (Ij) in reversely-biased substrate junctions• subthreshold current (Ist)

Static Power Dissipation

Ptotal = PS + PD (static + dynamic)

• Ij doubles at every 10oC-variationEx: 1nA@25oC ⇒ 1µA@125oC

DDst

n

1

jS V )II(P += ∑

Page 43: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

IST characteristic

S = 88mV/dec (weak inversion slope)

If ∆VTH = 300mV ⇒ IST is increased by a factor of 2567!!! ∆VTH = 400mV ⇒ IST is increased by a factor of 35112!!!

Page 44: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• during transitions 0 → 1 or 1 → 0, both transistors are turned on for a short time

⇒ DC path between VDD e VSS !!!

Dynamic Power Dissipation

swDDpeakscsc fVItP = 8.0

)( frsc

tt ≅

Page 45: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vin

Vout

Ids

Page 46: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• charge/discharge of output capacitance

dynamic power can be estimated by assuming transients much shorter than switching period Tp = 1/fp of a square wave Vin

Tp/2 Tp

PD = (1/Tp) ∫ IDSn (t) Vout dt + (1/Tp) ∫ IDSp (t) (VDD - Vout ) dt

0 Tp/2

For a voltage-step at input and IDS(t) = CL (dVout / dt),

VDD 0

PD = (CL/Tp) ∫ Vout dVout + (CL/Tp) ∫ (VDD - Vout ) dVout

0 VDD

⇒ PD = CL VDD² fp

Page 47: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 48: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Whenever an inverter – or logic gate – has a large fan-out, insertion of buffers becomes mandatory to optimize the product dissipation power x delay time.

CL

CL

Ro

Ro

C0 C2C1C3

Page 49: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Let´s consider a buffer with M stages, source resistance Ro

and load capacitance CL:

∑∑=

+

=

+ τ==M

0i i

1iM

0i

1iiC

CCRT

where T corresponds to total propagation time and CM+1 = CL.

• To minimize delay along the chain, one should have ti = ti+1 = t0.

Supposing a constant scaling factor g between subsequent (W/L),

T = τ (M + 1) g

CL = g M+1 C0

where C0 = τ / R0

Page 50: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

⇒ T = τ (M + 1) (CL / C0) 1/(M+1)

Optimizing with respect to M yields ⇒ g = e ≅ 2.73

⇒ M + 1 = ln (CL / C0)

⇒ T = eτ ln (CL / C0)

Page 51: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Output Buffers

Page 52: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Bootstrapping

Output Buffers

Page 53: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 54: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

CB

CS

TS Vchave

Linha de dados

+

+-

-

VB

VS

QB = CB VB

QS = CS VS

QT = CB VB + CS VS

CT = CB + CS

Page 55: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• when switch Ts turns on, equilibrium voltage is Veq = QT / CT = ( CB VB + CS VS ) / ( CB + CS )

⇒ ∆V = VS - Veq = (VS - VB ) CB / ( CB + CS )

⇒ transfer to CS of data stored in CB is more efficient as CS << CB

Page 56: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• However, the reverse situation in which data stored in CS should

be transferred to data line, - to capacitor CB – is much more critical.

The voltage change across CB, after the transfer, is

∆V = VB - Veq = (VB - VS ) CS / ( CB + CS )

⇒ reduction of original voltage difference (VB - VS ) by factor

CS / (CB + CS) , as commonly CB >> CS

⇒ need for sense amplifiers coupled to data line

Page 57: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• two transistors of same channel length L in parallel are equivalent to a single transistor of channel width equal to the sum of individual widths.

Page 58: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• two transistors of same channel width W in series are equivalent to a single transistor of channel length equal to the sum of individual lengths.

Page 59: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 60: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vin VoutVDD

VSS

Φ

Φn

CL

Page 61: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vin VoutVSS

ΦCL+

-Vgs

⇒ 0 fully pass; but not 1 (VDD – VTHN).

Vin VoutVDD

Φ

CL

-

+ Vgs

n

⇒ 1 fully pass; but not 0 (GND + |VTHP |).

Page 62: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Vin VoutVDD

VSS

Φ

Φn

CL

⇒ 0 and 1 fully pass

Page 63: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 64: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Clock Boosting Switch

A. M. Abo and P. R. Gray, “A 1.5-V, 10-bit, 14.3-MS/s CMOS pipeline analog-to-digital converter”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 34(5):599–606, May 1999.

Page 65: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

During off phase (hold) Φ is low: ⇒M7 and M10 discharge gate of M11 to GND⇒ VDD is applied across C3 by M3 and M12⇒ M8 and M9 isolate C3 from gate of M11

During on phase (sample) Φ is high: ⇒ M5 pulls down gate of M8⇒ C3 charge is transferred onto gate M11⇒ M9 turns on, so gate G tracks input shifted by VDD

Page 66: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 67: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• decoding using switches

Page 68: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 69: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

keeper

Page 70: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

GND

VDD

Vin Vout

CK

CKn

MP1

MP2

MN1

MN2

In Out

CK

CKn

Page 71: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A

B

C

F = A . B . C

GND

VDDVDD

GND

DE

G = D + E

Page 72: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 73: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

BAD GOOD

BAD : CL, C2 and C1 only discharged after assertion of IN1

GOOD : C2 and C3 already discharged before assertion of IN1

Page 74: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 75: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 76: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Complex Gates

Page 77: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

O

AOI OAI

Page 78: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 79: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A

B

F

A B F

0 0

00

1

11 1

0

0

1

1

A

B

F

A B F

0 0

00

1

11 1

0

0

1

1

Page 80: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• reduces the number of transistors implementing a logic function (N+1 x 2N for complementary CMOS)• less robustness and extra power dissipation• VOH = VDD, but VOL ≠ GND (“fight” between load and PDN)

Page 81: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 82: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Assuming VTRIP = VDD/2

2

THPp

2D V2

VDD

2I

−β=

( ) 2THNIPTR1D VV

2

nI −β=

−+= THP

1n

2pTHNIPTR V

2

VDD

)L/W(µ

)L/W(µVV

⇒ imposing VTRIP = VDD/2, one has (W/L)2/(W/L)1.

Page 83: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 84: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• static dissipation limits the use pseudo-NMOS logic• somewhat useful in large fan-in circuits

Page 85: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 86: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Differential Cascode Voltage Switch Logic (DCVSL)

• ratioless logic with no static dissipation and rail-to-rail swing• differential logic + positive feedback

• PDN1 and PDN2: mutually exclusive. PDN1 (on), PDN (off). and vice-versa

Page 87: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 88: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Complementary pass-transistor logic (CPL)

• inputs drive gate terminals as well as source/drain terminals• fewer transistors

Page 89: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• NMOS device is effective at passing a 0, but poor at pulling a node to VDD• VOH = VDD – VTH (VBS)

Page 90: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• pass-transistor gates cannot be cascaded by connecting the output of a pass gate to the gate input of another pass transistor

Page 91: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Performance of Pass-Transistor and Transmission Gate Logic

• pass-transistor is not an ideal switch: series resistance.

Page 92: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 93: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

mopt ≅ 3

Page 94: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Lógica CMOS Dinâmica

• A lógica estática CMOS requer 2N transistores para N entradas• Diferentes técnicas de projeto, como pseudo-NMOS, lógica a transistor de passagem (transmission-gate logic),

• excelente alternativa é a lógica dinâmica, a qual apresenta resultados semelhantes à lógica pseudo-NMOS, mas sem a consumação estática

• Condicionada a um clock, a operação desta lógica compreende duas fases: pré-carga (precharge) e avaliação (evaluation).

Page 95: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 96: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

•. Durante a pré-carga (CLK = 0) - CL pré-carregada a VDD pelo transistor Mp

- Me está cortado, o que impede a descarga de CL

⇒ nenhuma dissipação estática ocorre

• Durante a avaliação (CLK=1)- a saída condicionalmente descarregada - se PDN on, haverá um caminho entre a saída e GND - se PDN off, a saída não será descarregada, mantendo-se a VDD

⇒ uma única transição à saída é possível: 1 ⇒ 0

• Caso PDN off, a saída permanece em alta impedância durante a avaliação

Page 97: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

- Principais propriedades

• A função lógica é implementada pelo circuito PDN utilizando NMOS.

• N° transistores = N + 2 ( contra 2N na lógica CMOS estática)

• Não há necessidade de razão entre (W/L)’s (nonratioed).

• Apenas dissipa potência dinâmica (desprezando-se fugas de junção)

• Transições mais rápidas podem ocorrer pela diminuição do número de transistores, e consequentemente, das capacitâncias envolvidas.

Page 98: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 99: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Integridade do Sinal em Lógica CMOS Dinâmica

• Correntes de Fuga (Charge Leakage)

• Se o circuito PDN off durante a avaliação, a saída deve permanecer com a tensão de pré-carga VDD

• CL é gradualmente descarregado pelas correntes de fuga das

junções fonte/substrato dos transistores Mp e M1

⇒ nível lógico degradado⇒ eventualmente, um funcionamento errático.

Page 100: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 101: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

⇒ Circuitos dinâmicos requerem uma freqüência mínima de clock, tipicamente da ordem de alguns KHz.

Page 102: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 103: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Redistribuição de Carga (Charge Sharing)

Page 104: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 105: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Finite State Machine (FSM)

Page 106: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 107: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

NOR-based Set-Reset Latch

Page 108: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

NAND-based Set-Reset Latch

Page 109: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

D-Type Master-Slave Flip-Flop

D-Type Latch

Page 110: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• improves the behavior of the SR flip-flop (J=Set, K=Reset) by interpreting the S = R = 1 condition as a "flip" or toggle command

JK Flip-Flop

Page 111: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 112: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 113: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 114: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 115: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 116: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 117: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 118: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

To build a perfect synchronizer that always delivers a legal answer is impossible!

Page 119: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

P(failure) = P(enter metastable state) x P(still in state after tw)

Page 120: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

FF1 may enter the metastable state if the input signal transitions during the setup+hold window of the flip flop

( )hscycy

hsE ttf

t

ttP +=+=

Clk

ts+thtcy

• Probability of a given transition being in the setup+hold window is the fraction of time that is setup+hold window

Page 121: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Still in metastable state if initial voltage difference was too small to be exponentially amplified during wait time

• Probability of starting with this voltage is proportion of total voltage range that is ‘too small’

−=

−∆=∆

S

wS

S

wFS

tP

tVV

τ

τ

exp

exp

∆ V S

t w

∆ V F = 1

Page 122: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( )

( )

−+==

−+==

τ

τ

wcyehsFeF

wcyhsSEF

tffttPff

tfttPPP

exp

exp

Each event can potentially fail. Failure rate = event rate x failure

probability

∆ V S

t w

∆ V F = 1

Clk

ts+thtcy

Page 123: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ts = th = tdCQ = τ =100ps

tcy = 2ns

must sample a fE = 1MHz asynchronous signal

PE = (.1+.1)/2 = 0.1

PS = exp(-1.8/.1) = exp(-18) = 1.5 x 10-8

PF = PSPE = 1.5 x 10-9

fF = fEPF = 1.5 x 10-3

good enough?

Clk

ts+thtcy

∆ V S

t w

∆ V F = 1

Page 124: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ts = th = tdCQ = τ =100ps

tcy = 2ns

must sample a fE = 1MHz asynchronous signal

PE = (.1+.1)/2 = 0.1

PS = exp(-1.8/.1) = exp(-18) = 1.5 x 10-8

PF = PSPE = 1.5 x 10-9

fF = fEPF = 1.5 x 10-3

1 failure every 656 seconds ~ every 11 minutesThis is not adequate. How do we improve it?

How do we get failure rate to one every 10 years ~ 3 x 108s (fF < 3 x 10-

9)

Clk

ts+thtcy

∆ V S

t w

∆ V F = 1

Page 125: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Previous example: 2 FF brute-force synchronizer1 failure every 11 minutes (fE = 1.5 x 10-3)

Add a third FF:ts = th = tdCQ = τ =100ps (same)tcy = 2ns (same)must sample a fE = 1MHz asynchronous signal (same)PE = (.1+.1)/2 = 0.1 (same)PS = exp(-3.6/.1) = exp(-36) = 2.3 x 10-16

PF = PSPE = 2.3 x 10-17

fF = fEPF = 2.3 x 10-11 (much) less than one failure every 10 years!

Exponentials grow quickly. Adding one flip flop took us from 11 minutes to 1,300 years.

Page 126: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

CIRCUITOS MONO-ESTÁVEIS

• Um circuito mono-estável gera um pulso de largura pré-determinada sob a ação de um disparo, como por exemplo, uma transição de sinal.

Page 127: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

CIRCUITOS ASTÁVEIS

• circuito astável não possui estados estáveis

• saída oscila entre dois estados quasi-estáveis

• período determinado pela topologia e parâmetros do circuito, como atraso de propagação, tensão de alimentação

Page 128: Design of Mixed-Mode ICs - Module 1

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

N inversores (N ímpar)

oscilador em anel (ring oscillator)