HY422 - ΕισαγωγΞ� στα ΣυστΞ�ματα VLSI

1o Σύνολο ΑσκΞ�σΡων

2/3/2011 Ρως 18/3/2011

ΧρΞ�στος Σωτηρίου

  1. Ξ£Ο„ΟŒΟ‡ΞΏΟ‚ του 1ΞΏΟ… Ξ£Ο…Ξ½ΟŒΞ»ΞΏΟ… ΑσκΞ�σΡων

    Ο ΟƒΟ„ΟŒΟ‡ΞΏΟ‚ της Ο€ΟΟŽΟ„Ξ·Ο‚ άσκησης Ρίναι Ξ½Ξ± ΡξοικΡιωθΡίτΡ ΞΌΞ΅ την αναλογικΞ� προσομοίωση, Ο‡ΟΞ·ΟƒΞΉΞΌΞΏΟ€ΞΏΞΉΟŽΞ½Ο„Ξ±Ο‚ το NGSPICE, ΞΊΞ±ΞΉ παράλληλα Ξ½Ξ± αποκτΞ�σΡτΡ διαίσθηση ως προς την λΡιτουργία των CMOS τραν΢ίστορς ΞΊΞ±ΞΉ των Ξ·Ξ»Ξ΅ΞΊΟ„ΟΞΉΞΊΟŽΞ½ τους Ο‡Ξ±ΟΞ±ΞΊΟ„Ξ·ΟΞΉΟƒΟ„ΞΉΞΊΟŽΞ½. Για τις παρακάτω ασκΞ�σΡις ΞΈΞ± πρέπΡι Ξ½Ξ± υποβάλλΡτΡ ΟŒΞ»Ξ΅Ο‚ τις σχΡτικές γραφικές παραστάσΡις απο το NGSPICE ΞΊΞ±ΞΉ τα σχΡτικά ΟƒΟ‡ΟŒΞ»ΞΉΞ± Ξ� υπολογισμούς που ΢ητούνται.

  2. 1Ξ· Άσκηση

    3. Για τραν΢ίστορ NMOS ΞΊΞ±ΞΉ PMOS, ΞΌΞ΅ W = 3ΞΌm, L = 2ΞΌm, τάσης 2.5V, διΡργασίας MOSIS-TSMC 0.25ΞΌm, ΞΊΞ±ΞΉ Ο‡ΟΞ·ΟƒΞΉΞΌΞΏΟ€ΞΏΞΉΟŽΞ½Ο„Ξ±Ο‚ τα σχΡτικά μοντέλα SPICE Ρπιπέδου 3:

    1. Χαρακτηριστικές Ids/(Vds, Vgs)

      2. ΞšΞ¬Ξ½ΞΏΞ½Ο„Ξ±Ο‚ στατικΞ� ανάλυση σημΡίου Ο€ΟŒΞ»Ο‰ΟƒΞ·Ο‚, δηλ. DC, σχηματίστΡ τις χαρακτηριστικές των δυο τύπων τραν΢ίστορ, ΞΊΞ±ΞΉ συγκΡκριμένα το ρΡύμα Ids(n,p) ως προς Vgs(n,p) ΞΊΞ±ΞΉ Vds(n,p), ΞΌΞ΅ ανάλυση 0.25V.

    2. Ισοδύναμη Αντίσταση RC ΀ραν΢ίστορ

      3. Ξ§ΟΞ·ΟƒΞΉΞΌΞΏΟ€ΞΏΞΉΟŽΞ½Ο„Ξ±Ο‚ Ρνα NMOS Ξ³ΞΉΞ± την Ξ΅ΞΊΟ†ΟŒΟΟ„ΞΉΟƒΞ·, ΞΊΞ±ΞΉ Ρνα PMOS Ξ³ΞΉΞ± την Ο†ΟŒΟΟ„ΞΉΟƒΞ· (δυο διαφορΡτικές Ο€ΟΞΏΟƒΞΏΞΌΞΏΞΉΟŽΟƒΞ΅ΞΉΟ‚) Ξ΅Ξ½ΟŒΟ‚ πυκνωτΞ� μΡγέθους της αρΡσκΡίας σας (σας προτΡίνΡται C = 0.1pF) υπολογίστΡ την μέση ισοδύναμη αντίσταση των δυο τύπων τραν΢ίστορ.

      ΣχολιάστΡ τις τιμές που υπολογίσατΡ ως προς: (i) τον τύπο του τραν΢ίστορ, ΞΊΞ±ΞΉ (ii) σΡ σχέση ΞΌΞ΅ τα αποτΡλέσματα του (Ξ±).

  3. 2Ξ· Άσκηση

    4. Για τους ίδιους τύπους τραν΢ίστορ της 1Ξ·Ο‚ Άσκησης, Ο€ΟΞ±Ξ³ΞΌΞ±Ο„ΞΏΟ€ΞΏΞΉΟŽΞ½Ο„Ξ±Ο‚ μΡταβατικΞ� ανάλυση στο NGSPICE, υπολογίστΡ την ΀άση ΞšΞ±Ο„Ο‰Ο†Ξ»Ξ―ΞΏΟ…, VT, Ο€ΟΞΏΟƒΞΏΞΌΞΏΞΉΟŽΞ½ΞΏΞ½Ο„Ξ±Ο‚ τις συνθΞ�κΡς της Ο€Ο„ΟŽΟƒΞ·Ο‚ τάσης που ΡπιδΡικνύουν τα τραν΢ίστορ οταν συνδέονται σΡ σΡιρά.

    ΀ροποποιΞ�στΡ την προσομΡίωση Ξ³ΞΉΞ± δυο όμοια τραν΢ίστορ σΡ σΡιρά. Ξ ΟŒΟƒΞ· Ρίναι Ξ· συνολικΞ� Ο€Ο„ΟŽΟƒΞ· τάσης ΞΊΞ±ΞΉ γιατί;

  4. 3Ξ· Άσκηση

    5. Ξ˜Ξ΅Ο‰ΟΞ�στΡ Ρναν αντιστοφέα, ΞΌΞ΅ τραν΢ίστορ NMOS ΞΊΞ±ΞΉ PMOS, W = 3ΞΌm, L = 2ΞΌm, τάσης 2.5V, διΡργασίας MOSIS-TSMC 0.25ΞΌm.

    1. ΞšΞ±ΞΌΟ€ΟΞ»Ξ· ΞœΞ΅Ο„Ξ±Ξ²Ξ―Ξ²Ξ±ΟƒΞ·Ο‚ Vout/Vin

      2. ΞšΞ¬Ξ½ΞΏΞ½Ο„Ξ±Ο‚ ανάλυση στατικού σημΡίου Ο€ΟŒΞ»Ο‰ΟƒΞ·Ο‚, δηλ. DC, σχηματίστΡ την χαρακτηριστικΞ� καμπύλη μΡτάβασης του αντιστροφέα. Ξ₯πολογίστΡ, βάση της παράστασης τα: VM, VOH, VOL, VIH, VIL, ΞΊΞ±ΞΉ βάση Ξ±Ο…Ο„ΟŽΞ½ τα Ο€Ξ΅ΟΞΉΞΈΟŽΟΞΉΞ± αναλογικών Ο„ΞΉΞΌΟŽΞ½ δυναμικού της πύλης (θορύβου) που αντιστοιχούν στο λογικό 0 ΞΊΞ±ΞΉ λογικό 1.

      ΑλλάξτΡ το μέγΡθος των τραν΢ίστορ (κατά το Ξ»ΞΉΞ³ΟŒΟ„Ξ΅ΟΞΏ Ξ΄Ο…Ξ½Ξ±Ο„ΟŒ), έτσι ΟŽΟƒΟ„Ξ΅ Ξ½Ξ± δημιουργΞ�σΡτΡ συμμΡτρία στα παραπάνω Ο€Ξ΅ΟΞΉΞΈΟŽΟΞΉΞ±. ΣχολιάστΡ την τροποποίηση σΡ αυτά, τι αλλάξατΡ ΞΊΞ±ΞΉ ΞΌΞ΅ Ο€ΞΏΞΉΟŒ Ο†Ο…ΟƒΞΉΞΊΟŒ Ο†Ξ±ΞΉΞ½ΟŒΞΌΞ΅Ξ½ΞΏ σχΡτί΢Ρται.

    2. ΞšΞ»ΞΉΞΌΞ¬ΞΊΟ‰ΟƒΞ· ΀άσης ΞΊΞ±ΞΉ ΞšΞ±ΞΌΟ€ΟΞ»Ξ· ΞœΞ΅Ο„Ξ±Ξ²Ξ―Ξ²Ξ±ΟƒΞ·Ο‚

      3. ΀ι ΞΈΞ± συμβΡί στα Ο€Ξ΅ΟΞΉΞΈΟŽΟΞΉΞ± θορύβου ΞΊΞ±ΞΉ στην κατανάλωση, Ξ±Ξ½ ΞΊΞ»ΞΉΞΌΞ±ΞΊΟŽΟƒΞΏΟ…ΞΌΞ΅ το Ξ΄Ο…Ξ½Ξ±ΞΌΞΉΞΊΟŒ της τάσης προς τα κάτω; Θα υπάρχΡι βΡλτίωση Ξ· ΡπιδΡίνωση τους; ΠαράξτΡ τις αντίστοιχΡς καμπύλΡς μΡτάβασης Ξ³ΞΉΞ± Vdd = {0.7, 1.2, 1.8}.

      ΞœΞ΅Ο„ΟΞ�στΡ ΞΊΞ±ΞΉ σχολιάστΡ τις τροποποιΞ�σΡις στα Ο€Ξ΅ΟΞΉΞΈΟŽΟΞΉΞ± Ο„ΞΉΞΌΟŽΞ½. Eπιπλέον μΡτρΞ�στΡ το μέσο ΟƒΟ„Ξ±Ο„ΞΉΞΊΟŒ ρΡύμα Ξ³ΞΉΞ± κάθΡ σημΡίο (ΞΊΞ±ΞΉ Ξ³ΞΉΞ± τα 2.5V). Ξ₯πολογίστΡ την μέση ισχύ Ξ³ΞΉΞ± την κάθΡ τιμΞ� του Vdd ΞΊΞ±ΞΉ σχηματίστΡ σχΡτικΞ� γραφικΞ� παράσταση. ΀ι συμπέρασμα βγά΢ΡτΡ Ξ³ΞΉΞ± ισχύ ΞΊΞ±ΞΉ κατανάλωση;

  5. 4Ξ· Άσκηση

    6. Στο παρακάτω σχΞ�ΞΌΞ± φαίνΡται Ρνα ΟƒΟ‡Ξ·ΞΌΞ±Ο„ΞΉΞΊΟŒ σΡ ΡπίπΡδο τραν΢ίστορ, ΞΌΞ΅ τάση Vdd = 2.5V. Ξ˜Ξ΅Ο‰ΟΞ΅Ξ―ΟƒΟ„Ξ΅ οτι αρχικά όλοι ΞΏΞΉ κόμβοι του ΞΊΟ…ΞΊΞ»ΟŽΞΌΞ±Ο„ΞΏΟ‚ Ρίναι στα 0V, ΞΊΞ±ΞΉ οτι ΞΊΞ±ΞΉ Ξ· Ρίσοδος In Ρίναι Ρπίσης 0V. Δίνονται ΞΏΞΉ τάσΡις κατωφλίου των NMOS ΞΊΞ±ΞΉ PMOS ως VTn = 0.5 ΞΊΞ±ΞΉ VTp = -0.5V αντίστοιχα.


    Ξ₯πολογίστΡ τα δυναμικά των ΞΊΟŒΞΌΞ²Ο‰Ξ½ {A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L}.

    ΞšΞ±Ο„ΟŒΟ€ΞΉΞ½, υπολογίστΡ τα Ξ½Ξ­Ξ± δυναμικά των ΞΊΟŒΞΌΞ²Ο‰Ξ½ μΡτά απο μΡτάβαση της Ξ΅ΞΉΟƒΟŒΞ΄ΞΏΟ… In στα 2.5V.

    ΀ι ΞΈΞ± συνέβαινΡ Ξ±Ξ½ τα σημΡία A ΞΊΞ±ΞΉ B Ξ�ταν συνΡνωμένα; ΕξηγΡίστΡ το Ο€ΟΟŒΞ²Ξ»Ξ·ΞΌΞ± της λΡιτουργίας του Ο…Ο€ΞΏΞΊΟ…ΞΊΞ»ΟŽΞΌΞ±Ο„ΞΏΟ‚ {A, B, C} ΞΌΞ΅ τα A ΞΊΞ±ΞΉ B συνΡνωμένα (δηλαδΞ� Ξ΅Ξ½ΟŒΟ‚ αντιστροφέα ΞΌΞ΅ τα NMOS, PMOS τραν΢ίστορ αντΡστραμμένα). ΧρησιμοποιΡίστΡ το NGSPICE Ξ³ΞΉΞ± Ξ½Ξ± ΡλέγξΡτΡ την διαίσθηση σας Ξ³ΞΉΞ± το συγκΡκριμένο υποκύκλωμα, ΞΊΞ±ΞΉ παρουσιάστΡ σχΡτικές κυμματομορφές, ΡίτΡ μΡταβατικΞ�Ο‚ ΡίτΡ στατικΞ�Ο‚ ανάλυσης.

  6. ΠροθΡσμία Παράδοσης, Ξ₯ποβολΞ� της Άσκησης

    Ξ— προθΡσμία παράδοσης του 1ΞΏΟ… Ξ£Ο…Ξ½ΟŒΞ»ΞΏΟ… ΑσκΞ�σΡων Ρίναι Ξ· 18/3/2011 . ΞœΞ­Ο‡ΟΞΉ Ο„ΟŒΟ„Ξ΅ ΞΈΞ± πρέπΡι Ξ½Ξ± έχΡτΡ υποβάλλΡι τις λύσΡις των ασκΞ�σΡων μέσω του προγράμματος submit ως ΡξΞ�Ο‚:

    submit ASKx

    ΟŒΟ€ΞΏΟ… στο x αντιστοιχΡί ΞΏ Ξ±ΟΞΉΞΈΞΌΟŒΟ‚ της Άσκησης.
Ξ§. Σωτηρίου - TΡλΡυταία Ρνημέρωση - 1/3/2011.