Olá, isto e grizo

1. CIRCUITOS 1
Aula nº 13
Semana de 30 de março, 2020

2. Capacidades em circuitos digitais
Capacidades em circuitos digitais - 2
Conhecer o papel e os efeitos das capacidades presentes
em circuitos microeletrónicos digitais
• Nos tempos de atraso/comutação
• Na potência dissipada

3. Capacidades em circuitos digitais
Capacidades em circuitos digitais - 3
• A tecnologia CMOS é a mais usada na realização física de
circuitos integrados digitais
• Em CMOS há 2 tipos de transístores (nMOS e pMOS); funcionam
como interruptores controlados por uma tensão (VGS)
nMOS
VGS<-VT
D
S
G
VGS>VT VGS=0
S
D
G
VGS=0
pMOS
S S
D D
S S
D D
VGS
VGS

4. 4
Porta lógica NOT em CMOS
S
D
G
D
S
G
X f
VDD
T1
T2
tensão de
alimentação
X=0 (Vx = 0)
X=1 (Vx = VDD)
-
+
Vf
-
+
VX
x T1 T2 f
0 on off 1
1 off on 0
f
D
S
VDD
D
S
x = ´0´ f = ´1´
D
f
D
S
VDD
S
x = ´1´ f = ´0´
T1 T1
T2
T2
Vf = VDD
Vf= 0
Capacidades em circuitos digitais - 4

5. 5
Porta lógica NAND em CMOS
S
D
G
S
D
G
S
S
G
D
D
G
VDD
Vx1
T1
T2
T3
T4
Vx2
Vf
x1 x2 T1 T2 T3 T4 f
0 0 on on off off 1
0 1 on off off on 1
1 0 off on on off 1
1 1 off off on on 0
off
on
off
on
1
0
1
Capacidades em circuitos digitais - 5
Circuito pull-up
Circuito pull-down

6. 6
Porta lógica AND em CMOS
S
D
G
S
D
G
S
S
G
D
D
G
Vx1
T1
T2
T3
T4
Vx2
S
D
G
D
S
G
Vf
VDD
NAND
NOT
T5
T6
requer 6
transistores
(um NAND
requer 4)

7. Tempo de propagação
• A mudança de valor lógico num circuito eletrónico digital não
ocorre instantaneamente
• As capacidades presentes num circuito desempenham um
papel importante no atraso com que uma porta lógica reage à
alteração das entradas (tempo de propagação, tp)
VIN VOUT
Capacidades em circuitos digitais - 7

8. Saída de uma porta lógica
Saída muda de 0 para 1: Saída muda de 1 para 0:
Capacidades em circuitos digitais - 8
+
–
VDD
Rpu
(resistência
de pull-up)
Rpd
(resistência
de pull-down)
Rpu representa as resistências dos transístores pMOS que garantem a ligação da saída
a VDD (os que estão ON para um dado conjunto de valores das entradas)
Rpd representa as resistências dos transístores nMOS que garantem a ligação da saída
a 0 V (os que estão ON para um dado conjunto de valores das entradas)
+
–
Rede pull-up
OFF
Rede pull-down
OFF
VDD

9. Saída de uma porta lógica…
Saída muda de 0 para 1: Saída muda de 1 para 0:
Capacidades em circuitos digitais - 9
+
–
VDD
C
Rpu
(resistência
de pull-up)
C
Rpd
(resistência
de pull-down)
A entrada de um circuito CMOS pode ser modelada, do ponto de vista elétrico,
apenas por uma capacidade (C na figura)
C pode incluir as capacidades das pistas de ligação, e as entradas de outras
portas lógicas ligadas à mesma saída.
… ligada à entrada
de outra porta lógica
Rede pull-down
OFF
Rede pull-up
OFF
+
–
VDD

10. Atrasos e tempos de propagação
• Podemos estimar o tempo de atraso na tensão de
saída uma porta lógica, admitindo uma evolução
exponencial com uma constante de tempo R.C em
que:
– R representa uma estimativa das resistências dos
transístores ON para uma dada transição (mais as das
pistas de ligação…),
– C representa uma estimativa de todas as capacidades
ligadas (em paralelo!) à saída dessa porta (mais as
capacidades das pistas de ligação…)
Capacidades em circuitos digitais -
10

11. Potência dissipada em circuitos digitais
• Admitindo interruptores ideais, não há energia dissipada
quando as entradas estão fixas (não mudam)
– Observar nos circuitos dos slides 3 e 4 que nunca existe um percurso condutor
de VDD para 0V – a fonte (VDD) não fornece corrente para nenhuma combinação
de valores das entradas
– Em circuitos reais os interruptores não desligam completamente
• Existe energia dissipada apenas quando as saídas mudam de 0
para 1, ou de 1 para 0 (quando há comutação)
– Esta energia é proporcional ao quadrado da tensão VDD
– É proporcional aos valores das capacidades a carregar e a descarregar
– É tão mais elevada quanto mais vezes os circuitos comutarem por
unidade de tempo (proporcional à frequência)
– E é multiplicada pelo número de nós que comutam!
Capacidades em circuitos digitais -11

12. Potência dissipada em circuitos digitais
• Recordar que existe energia dissipada apenas quando as saídas mudam de
0 para 1, ou de 1 para 0 (quando há comutação)
– Esta energia é proporcional ao quadrado da tensão VDD
– É proporcional aos valores das capacidades a carregar e a descarregar
– É tão mais elevada quanto mais vezes os circuitos comutarem por unidade de
tempo (proporcional à frequência)
– E é multiplicada pelo número de saídas que comutam!
• Que fazer?
• Diminuir VDD?
• Diminuir as dimensões dos circuitos?
• Diminuir a frequência?
• Diminuir o número de portas lógicas?
Capacidades em circuitos digitais - 12
Que fazer para a
diminuir?