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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
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
VDD
VSS (GND)
d
g
s
b
g
d
s
b
Vin Vout
Vgs
+
-
Vgs
+
-
MN
MP
VSS
VDD VDD
VSS
Cout
0
1
0
1
• CMOS inverter
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
VDD
VSS (GND)
d
g
s
b
g
d
s
b
Vin Vout
Vgs
+
-
Vgs
+
-
MN
MP
VSS
VDD VDD
VSS
Cout
0
1
0
1
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
Margem de Ruído do Inversor
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
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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
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
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The regenerative property of inverter chain:
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Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
SCHMITT TRIGGER
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
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
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• 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.
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Implementação típica de um circuito ST CMOS
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• 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
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• Switching noise from capacitive coupling
i) through interconnecting lines
ii) introduced by power bus
Ref: “CMOS Digital Circuit Technology”, Shoji M., Prentice-Hall.
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A
BD1
D2
resistencia da linha
resistencia equivalente MOS
VA
VB
"1"
C
VC
i) noise coupling through interconnections
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( ) 





+
−
+
=
10
DD
10
1
B
CCR
1
expV
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
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( ) 5.0
D10
10
1
L.R
R
Cm
LCC
CC
C
peak 


 +
+
=
if C1 + C0 = 2pF, (C0+C1)L/Cm = 1 and RD/(R.L) = 1/7
⇒ spike amplitude ≅ 0.1VDD
poly-metal
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( ) 2
10spike xCCR1.1t +=
If R = 4Ω/ , tspike = 2.7ns for x = 2mm (narrow pulse)
metal-poly
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Spike amplitude ; 0.05VDD (not important!)
poly-poly
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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
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Vo Vo - Vn
Vn
D1
N1
VDD
VSS
VDD'
VSS'
Portas
In
pad
pad
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• 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)
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• 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)
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Tape-automated bonding (TAB) places bare ICs onto PCB by
attaching them to a polyamide film (ex: LCD display driver
circuits)
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• Surface Mounting Devices (SMD)
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• Ball Grid Array (BGA)
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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
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i) rising time: swing from 10% to 90% of final value
ii) fall time: swing from 90% to 10% of final value
iii) delay time: 50% of input transition to 50% of output transition
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Vin(t)
Ids
Assuming VTHN
= 0.2 VDD
, ⇒ tf
= 4 CL
/ (βn
VDD
)
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Idsn
t = 0
VDD
VSS
CL Vout
Saturação: Vout > VDD - Vthn
Ic
Idsn
VDD
VSS
CL Vout
Linear: 0 < Vout < VDD - Vthn
Ic
Rch
Transição Negativa à Saida
Vout
Saturação: Vout < - VDD + Vthp Linear: - VDD + Vthp < Vout < 0
Transição Positiva à Saida
Idsp
t = 0
VDD
VSS
CL
Ic
Idsp
VDD
VSS
CL
Ic
Rch
MOSFET P
MOSFET N
MOSFET P
MOSFET N
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• 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
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• leakage current (Ij) in reversely-biased substrate junctions
• subthreshold current (Ist)
Static Power Dissipation
Ptotal
= PS
+ PD
(static + dynamic)
• Ij doubles at every 10o
C-variation
Ex: 1nA@25o
C ⇒ 1µA@125o
C
DDst
n
1
jS V)II(P += ∑
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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!!!
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• 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
)( fr
sc
t
t ≅
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Vin
Vout
Ids
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• 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
VDD
² fp
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• 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 C2C1
C3
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• Let´s consider a buffer with M stages, source resistance Ro
and load capacitance CL
:
∑∑ =
+
=
+ τ==
M
0i i
1i
M
0i
1ii
C
C
CRT
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
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⇒ 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
)
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Output Buffers
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Bootstrapping
Output Buffers
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CB
CS
TS Vchave
Linha de dados
+
+-
-
VB
VS
QB
= CB
VB
QS
= CS
VS
QT
= CB
VB
+ CS
VS
CT
= CB
+ CS
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• 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
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• 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
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• 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.
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• 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.
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Vin VoutVDD
VSS
Φ
Φn
CL
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Vin Vout
VSS
Φ
CL+
-
Vgs
⇒ 0 fully pass; but not 1 (VDD – VTHN).
Vin Vout
VDD
Φ
CL
-
+ Vgs
n
⇒ 1 fully pass; but not 0 (GND + |VTHP |).
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Vin VoutVDD
VSS
Φ
Φn
CL
⇒ 0 and 1 fully pass
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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.
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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
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• decoding using switches
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keeper
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GND
VDD
Vin Vout
CK
CKn
MP1
MP2
MN1
MN2
In Out
CK
CKn
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A
B
C
F = A . B . C
GND
VDD
VDD
GND
D
E
G = D + E
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BAD GOOD
BAD : CL, C2 and C1 only discharged after assertion of IN1
GOOD : C2 and C3 already discharged before assertion of IN1
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Complex Gates
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O
AOI OAI
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A
B
F
A B F
0 0
0
0
1
1
1 1
0
0
1
1
A
B
F
A B F
0 0
0
0
1
1
1 1
0
0
1
1
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• 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)
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Assuming VTRIP
= VDD
/2
2
THP
p
2D V
2
VDD
2
I 





−
β
=
( )2
THNIPTR1D VV
2
n
I −
β
=






−+= THP
1n
2p
THNIPTR V
2
VDD
)L/W(µ
)L/W(µ
VV
⇒ imposing VTRIP = VDD
/2, one has (W/L)2
/(W/L)1
.
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• static dissipation limits the use pseudo-NMOS logic
• somewhat useful in large fan-in circuits
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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
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Complementary pass-transistor logic (CPL)
• inputs drive gate terminals as well as source/drain terminals
• fewer transistors
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• NMOS device is effective at passing a 0, but poor at pulling a node to VDD
• VOH = VDD – VTH (VBS)
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• pass-transistor gates cannot be cascaded by connecting the
output of a pass gate to the gate input of another pass transistor
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Performance of Pass-Transistor and Transmission Gate
Logic
• pass-transistor is not an ideal switch: series resistance.
⇒
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mopt ≅ 3
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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).
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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•. 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
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 - 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.
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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. 
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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. 
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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• Redistribuição de Carga (Charge Sharing)
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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NAND-based Set-Reset Latch
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
D-Type Master-Slave Flip-Flop
D-Type Latch
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
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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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!
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)
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
( )hscy
cy
hs
E ttf
t
tt
P +=
+
=
Clk
ts
+th
tcy
• Probability of a given transition
being in the setup+hold window
is the fraction of time that is
setup+hold window
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
w
S
S
w
FS
t
P
t
VV
τ
τ
exp
exp
∆ V S
t w
∆ V F = 1
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
( )
( ) 




 −
+==





 −
+==
τ
τ
w
cyehsFeF
w
cyhsSEF
t
ffttPff
t
fttPPP
exp
exp
 Each event can potentially fail.
 Failure rate = event rate x failure
probability
∆ V S
t w
∆ V F = 1
Clk
ts+th
tcy
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
+th
tcy
∆ V S
t w
∆ V F
= 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 minutes
This is not adequate. How do we improve it?
How do we get failure rate to one every 10 years ~ 3 x 108
s (fF < 3 x 10-
9
)
Clk
ts
+th
tcy
∆ V S
t w
∆ V F
= 1
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
Previous example: 2 FF brute-force synchronizer
1 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.
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. 
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
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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  • 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
  • 2. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 VDD VSS (GND) d g s b g d s b Vin Vout Vgs + - Vgs + - MN MP VSS VDD VDD VSS Cout 0 1 0 1 • CMOS inverter
  • 3. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 VDD VSS (GND) d g s b g d s b Vin Vout Vgs + - Vgs + - MN MP VSS VDD VDD VSS Cout 0 1 0 1
  • 4. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 5. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Margem de Ruído do Inversor
  • 6. 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
  • 7. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 8. 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
  • 9. 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
  • 10. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 The regenerative property of inverter chain:
  • 11. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 12. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 13. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 SCHMITT TRIGGER
  • 14. 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
  • 15. 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
  • 16. 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.
  • 17. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 18. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Implementação típica de um circuito ST CMOS
  • 19. 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
  • 20. 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.
  • 21. 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
  • 22. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 ( )       + − + = 10 DD 10 1 B CCR 1 expV 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
  • 23. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 ( ) 5.0 D10 10 1 L.R R Cm LCC CC C peak     + + = if C1 + C0 = 2pF, (C0+C1)L/Cm = 1 and RD/(R.L) = 1/7 ⇒ spike amplitude ≅ 0.1VDD poly-metal
  • 24. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 ( ) 2 10spike xCCR1.1t += If R = 4Ω/ , tspike = 2.7ns for x = 2mm (narrow pulse) metal-poly
  • 25. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Spike amplitude ; 0.05VDD (not important!) poly-poly
  • 26. 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
  • 27. 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
  • 28. 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)
  • 29. 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)
  • 30. 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)
  • 31. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
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  • 33. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 • Surface Mounting Devices (SMD)
  • 34. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 • Ball Grid Array (BGA)
  • 35. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 36. 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
  • 37. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 i) rising time: swing from 10% to 90% of final value ii) fall time: swing from 90% to 10% of final value iii) delay time: 50% of input transition to 50% of output transition
  • 38. 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 )
  • 39. 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 Ic Idsn VDD VSS CL Vout Linear: 0 < Vout < VDD - Vthn Ic Rch Transição Negativa à Saida Vout Saturação: Vout < - VDD + Vthp Linear: - VDD + Vthp < Vout < 0 Transição Positiva à Saida Idsp t = 0 VDD VSS CL Ic Idsp VDD VSS CL Ic Rch MOSFET P MOSFET N MOSFET P MOSFET N
  • 40. 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
  • 41. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 42. 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 10o C-variation Ex: 1nA@25o C ⇒ 1µA@125o C DDst n 1 jS V)II(P += ∑
  • 43. 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!!!
  • 44. 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 )( fr sc t t ≅
  • 45. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Vin Vout Ids
  • 46. 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 VDD ² fp
  • 47. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 48. 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 C2C1 C3
  • 49. 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 1i M 0i 1ii C C CRT 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
  • 50. 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 )
  • 51. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Output Buffers
  • 52. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Bootstrapping Output Buffers
  • 53. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 54. 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
  • 55. 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
  • 56. 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
  • 57. 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.
  • 58. 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.
  • 59. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 60. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Vin VoutVDD VSS Φ Φn CL
  • 61. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Vin Vout VSS Φ CL+ - Vgs ⇒ 0 fully pass; but not 1 (VDD – VTHN). Vin Vout VDD Φ CL - + Vgs n ⇒ 1 fully pass; but not 0 (GND + |VTHP |).
  • 62. 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
  • 63. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 64. 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.
  • 65. 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
  • 66. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 67. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 • decoding using switches
  • 68. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 69. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 keeper
  • 70. 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
  • 71. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 A B C F = A . B . C GND VDD VDD GND D E G = D + E
  • 72. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 73. 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
  • 74. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 75. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 76. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Complex Gates
  • 77. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 O AOI OAI
  • 78. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 79. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 A B F A B F 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 A B F A B F 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1
  • 80. 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)
  • 81. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 82. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Assuming VTRIP = VDD /2 2 THP p 2D V 2 VDD 2 I       − β = ( )2 THNIPTR1D VV 2 n I − β =       −+= THP 1n 2p THNIPTR V 2 VDD )L/W(µ )L/W(µ VV ⇒ imposing VTRIP = VDD /2, one has (W/L)2 /(W/L)1 .
  • 83. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 84. 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
  • 85. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 86. 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
  • 87. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 88. 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
  • 89. 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)
  • 90. 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
  • 91. 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. ⇒
  • 92. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 93. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 mopt ≅ 3
  • 94. 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).
  • 95. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 96. 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
  • 97. 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.
  • 98. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 99. 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. 
  • 100. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 101. 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. 
  • 102. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 103. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 • Redistribuição de Carga (Charge Sharing)
  • 104. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 105. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Finite State Machine (FSM)
  • 106. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 107. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 NOR-based Set-Reset Latch
  • 108. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 NAND-based Set-Reset Latch
  • 109. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 D-Type Master-Slave Flip-Flop D-Type Latch
  • 110. 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
  • 111. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 112. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 113. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 114. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 115. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 116. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 117. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013
  • 118. 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!
  • 119. 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)
  • 120. 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 ( )hscy cy hs E ttf t tt P += + = Clk ts +th tcy • Probability of a given transition being in the setup+hold window is the fraction of time that is setup+hold window
  • 121. 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 w S S w FS t P t VV τ τ exp exp ∆ V S t w ∆ V F = 1
  • 122. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 ( ) ( )       − +==       − +== τ τ w cyehsFeF w cyhsSEF t ffttPff t fttPPP exp exp  Each event can potentially fail.  Failure rate = event rate x failure probability ∆ V S t w ∆ V F = 1 Clk ts+th tcy
  • 123. 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 +th tcy ∆ V S t w ∆ V F = 1
  • 124. 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 minutes This is not adequate. How do we improve it? How do we get failure rate to one every 10 years ~ 3 x 108 s (fF < 3 x 10- 9 ) Clk ts +th tcy ∆ V S t w ∆ V F = 1
  • 125. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 Previous example: 2 FF brute-force synchronizer 1 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.
  • 126. 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. 
  • 127. 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
  • 128. Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013 N inversores (N ímpar) oscilador em anel (ring oscillator)