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Microeletrônica
Prof. Fernando Massa Fernandeshttps://www.fermassa.com/Microeletrônica.php
(Prof. Germano Maioli Penello)
Sala 5017 [email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
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Modelos para projetos digitais
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Após ver alguns detalhes da fabricação dos MOSFETs, agora veremos modelos que utilizaremos em designs digitais
De uma forma simples, o MOSFET é analisado em projetos digitais como uma chave logicamente controlada.
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Modelos para projetos digitais
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Um dos pontos importantes em um circuito digital é o tempo de resposta do MOSFET. Para determinar o tempo de resposta, temos que associar ao MOSFET uma capacitância e uma resistência.
Efeito Miller
Considere o seguinte circuito:
Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0
Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD
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Modelos para projetos digitais
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Efeito Miller
Considere o seguinte circuito:
Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0
Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD
A carga final fornecida é
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Modelos para projetos digitais
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Efeito Miller
Neste exemplo, a capacitância vista pela fonte de entrada e de saída é o dobro da capacitância conectada entre a entrada e a saída
Usaremos este resultado para construir um modelo de MOSFET para análise digital.
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Modelo de MOSFET digital
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Resistência de chaveamento efetiva
Inicialmente o MOSFET está desligado (VGS = 0) e o dreno está em VDD. Aplicando instantaneamente uma tensão VDD na porta a corrente ID que flui inicialmente é:
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Modelo de MOSFET digital
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Resistência de chaveamento efetiva
Como estimar uma resistência para este resultado?
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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva
Como estimar uma resistência para este resultado?
Inverso da inclinação da reta
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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva
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Modelo inicial para um MOSFET chaveando
Limitação desse modelo: Consideração feita que o tempo de subida e de descida é zero. O ponto que define a chave aberta e fechada é bem definido.
Usado para cálculo a mão, apresentam resultados dentro de um fator de dois do resultado obtido por simulação ou pela experiência.
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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva
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O modelo feito aqui não inclui a redução da mobilidade observada em dispositivos submicron. Um melhor resultado é obtido através de valores medidos ou simulados:
NMOS de canal longo (fator de escala de 1 m e VDD = 5V)
PMOS de canal longo (fator de escala de 1 m e VDD = 5V)
mobilidade do elétron é maior que a do buraco
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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva
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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!
NMOS de canal curto
PMOS de canal curto
Usamos a corrente Ion para estimar a resistência
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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva
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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!
NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V)
PMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V)
Usamos a corrente Ion para estimar a resistência
Equações reescritas para incluir L (quando L > ~2)
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Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos
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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo
Cox é a capacitância na região de triodo (superestimado para facilitar as contas à mão – cálculo melhor é feito com simulações)
Capacitância é vista como 2(Cox/2) = Cox
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Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos
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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo
Modelo melhorado
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Modelo de MOSFET digitalConstante de tempo
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Qual é a velocidade de chaveamento do MOSFET?
Constante de tempo n = RnCox
Canal longo:
Mais lento - quadraticamente com LIndependente de WMais rápido para VDD maior
Canal curto:
Mais lento linearmente com LIndependente de WMais lento para VDD maior
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Modelo de MOSFET digital
Resumo
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Tempo de transição e de atraso
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Relembrando
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Tempo de transição e de atraso
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Tempo de subida - tr
Tempo de descida- tf
Tempo de subida da saída- tLH
Tempo de descida da saída- tHL
Tempo de atraso low to high - tPLH Tempo de atraso high to low - tPHL
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Tempo de transição e de atraso
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No nosso modelo digital:
Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra.
Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas!
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Exemplo
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Descarga Carga
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Exemplo
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Descarga Carga
Canal longo
Canal curto (maior resistência de canal)
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Exemplo
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Descarga Carga
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Simulação
Exemplo
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Projeto digital
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Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?
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Projeto digital
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Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?
Casamento da resistência de chaveamento efetiva
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Trabalho 4 – Par CMOS
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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.
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Trabalho 4 – Par CMOS
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A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V)
O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm.
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Trabalho 4 – Par CMOS
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A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V)
O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm.
Para fazer o Leiaute no Electric →SETTTINGλ = 90 nm
MOCMOS – 6 Metal LayersCMOS Rule set – Deep
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Trabalho 4 – Par CMOS
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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.
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Trabalho 4 – Par CMOS
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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?
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Trabalho 4 – Par CMOS
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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?
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Trabalho 4 – Par CMOS
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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?
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Trabalho 4 – Par CMOS
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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?
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Trabalho 4 – Par CMOS
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ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27oC para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições o circuito estará operando fora da especificação.
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Trabalho 4 – Par CMOS
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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.
i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?
ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27oC para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições de operação o circuito estará operando fora da especificação.
1. Enviar o arquivo LTSpice
2. Enviar síntese da análise em .pdf com:
Printscreens.Valor encontrado W(PMOS) = ?Explicar o valor obtido para a razão W(PMOS)/W(NMOS) e qual o modelo mais apropriado.