Laboratorio N°3: Logica transistores de paso – lógica CMOS estática

INTRODUCCION:

La mayor utilidad del software Microwind es la posibilidad que le brinda al usuario de “meterse” dentro de un circuito integrado (CI) a construir, ampliando así las posibilidades de diseño del mismo y sus características mínimas para que cumpla con determinados comportamientos requeridos. Una vez que se adquiere un conocimiento adecuado de este paquete es posible construir elementos y configuraciones de manera personalizada y a la vez cumpliendo con requisitos mínimos de diseño dependiendo de la tecnología a trabajar.

 

OBJETIVOS:

   Ø  Hacer los layouts del flip-flop tipo D y JK del ejercicio A, y construir el layout del ejercicio B.

   Ø  Aprender el funcionamiento de los layouts implementados en el ejercicio A y B.

   Ø  Detallar las características y comportamientos dinámicos de los circuitos

 

TEMA PROPUESTO:

Laboratorio Nº3

 

BASES TEORICAS:

a)     Marco Teórico:

Tecnología CMOS: 

CMOS o MOSFET complementaria tiene una gran aplicación en el diseño de lógica de computadora. La relativamente alta impedancia de entrada, las rapidas velocidades de conmutación y los bajos niveles de potencia de operación de la configuración CMOS, han dado por resultado una disciplina totalmente nueva conocida como diseño de lógica CMOS [1]. 

Figura 1. CMOS inversor

Figura 2. Símbolos de los nMOS y pMOS

 

Figura 3. Característica del MOSFET de enriquecimiento que muestra las condiciones de encendido y apagado: (a) nMOS; (b) pMOS

 

b)    Marco conceptual:

Software Microwind:

Descripción: Microwind es una herramienta para diseñar y simular circuitos a nivel de diseño. La 

herramienta cuenta con funciones de edición completas (copiar, cortar, pegar, duplicar, mover), varias 

vistas (MOS características, sección transversal 2D, visor de procesos 3D), y un simulador analógico. 

Resulta engorroso, que siendo la primera vez que una persona trabaje en un software, se encuentre 

con una cantidad de términos desconocidos y no muy fáciles de entender. Microwind es uno de 

los paquetes donde más acontece esta dificultad, por tanto, es útil conocer algunos conceptos 

básicos del programa [2]:  

- Reglas de diseño: Para Microwind, son una compilación de reglas geométricas, de propiedades 

eléctricas, químicas, y de parámetros de modelo, que juntas conforman una tecnología de 

proceso de construcción de circuitos integrados (CI’s).

- Archivos RUL: Bajo esta extensión se guardan los archivos que contienen las reglas de diseño 

para Microwind.

- Tecnología de proceso: Consiste en un conjunto de reglas de diseño, que permiten construir

circuitos integrados con determinadas caracteristicas.

- Layout: Disposición de capas, o layers, que representan la litografía de dispositivos en 

un circuito integrado. En palabras más castizas, es un conjunto de máscaras, las cuales 

representan materiales, que son constitutivos de dispositivos a implementarse en un CI.

Figura 4. Layout de un sumador medio hecho en Microwind

- Layer: Disposición de capas o mascaras que forman un Layout. Layers diferentes representan  diferentes tipos de material, los cuales tienen usos específicos dentro de un layout.

- Workspace o “fondo negro”: Como su nombre indica, es el fondo negro en el cual se construyen los layouts de Microwind. Representa en realidad una gran oblea lineal, isotrópica y homogénea de silicio dopado de tipo P, de dimensiones infinitas.

- Lambda (𝝀): Es una escala de longitud que utiliza Microwind, para ajustar distancias a la tecnología empleada. No debe confundirse este lambda, con el lambda (𝜆) del modelo del modelo de segundo orden del transistor MOSFET operando en región de saturación. Para la tecnología, el valor lambda es ajustado a la mitad del largo del canal de un transistor MOS, por defecto.

Figura 5. Valor de lambda por defecto en Microwind

- Lambda grid: Es una cuadricula dispuesta sobre el workspace del microwind, escalada en lambdas, que sirve como referencia para ajustar distancias en la construcción de un layout.

DESARROLLO DEL TRABAJO:

    A)   Para circuito mostrado:

1) Analizar y determinar la función lógica de salida del circuito. Presentar completo el LAYOUT (manual con transistores de dimensiones mínimas) y corroborar su función lógica mediante simulación. Medir el ÁREA del layout y hallar la frecuencia MÁXIMA de operación (Revisar el método para determinar la frecuencia de operación máxima de un circuito secuencial)

Figura . Circuito del ejercicio A

 

En primer lugar, analizamos la tabla de la verdad del circuito:

 

Con la tabla de la verdad ya realizada. Hacemos ahora el mapa de Karnaugh:

 

Del mapa de Karnaugh podemos hallar finalmente, las ecuaciones de F: F=D

Pasamos ahora a crear el layout correspondiente al circuito:

Figura . Layout del circuito del ejercicio A parte 1

 

Comprobamos la ecuación encontrada con el comportamiento dinámico del layout, que debe ser igual que el análisis teórico:

Figura . Comportamiento dinámico del ejercicio A parte 1

 

El comportamiento dinámico del circuito demuestra que las ecuaciones halladas teóricamente son correctas.

Área del layout

Figura . Medición del área del layout

Podemos darnos cuenta que el layout tiene un ancho de 110𝜆 y de largo 58𝜆, por lo que el layout tendrá un área total de: 6380𝜆^2=99.6875um^2 .

 

Frecuencia máxima de operación 

El nuevo comportamiento dinámico del layout será como se muestra en la figura. Podemos observar que no se marca ningún retraso:

Figura . Nuevo comportamiento del circuito con fsimulacion=10MHz

 

2) En base al layout de la parte 1, implementar un FF tipo J-K disparado por flanco de subida. Hacer el layout manual de dimensiones mínimas y corroborar su función lógica mediante simulación. Medir el ÁREA del layout y hallar la frecuencia MÁXIMA de operación. (Revisar el método para determinar la frecuencia de operación máxima de un circuito secuencial)

Como ya obtuvimos la tabla de la verdad del FF tipo D. Debemos hacer una igualdad con la tabla de la verdad del FF tipo JK.

 

Aplicando Karnaugh, se obtiene la ecuación correspondiente al circuito de entrada del biestable D:

El circuito será el siguiente:

Figura . Flip Flop JK apartir del flip flop D

  

    B)   Para circuito mostrado:

Analizar y determinar la función lógica de salida del circuito y dibuje el circuito esquemático de transistores. Presentar completo el LAYOUT (manual con transistores de dimensiones mínimas) y corroborar su función lógica mediante simulación. Medir el ÁREA del layout y hallar la frecuencia MÁXIMA de operación.

Figura . Layout del circuito

 

Para determinar la función lógica del circuito primero vamos a identificar cual es la configuración de transistores n-MOS:

Figura . Circuito representado por transistores

 

Podemos realizar ahora la tabla de la verdad del circuito. Primero debemos observar que, cuando la salida no está a tierra (0), debe estar a fuente (1).  Conocemos las veces en las que el circuito está a tierra (por la red pull-down), cuando el circuito no marca tierra completamos el resto con 1.

 

Realizamos ahora el mapa de Karnaugh.

 

Por el mapa de Karnaugh nos podemos dar cuenta de que:

Figura . Se muestra el circuito completo

 

Con el esquema del circuito completo ya podemos armar el layout:

Figura . Layout del circuito

 

Comportamiento dinámico del circuito 

Figura . Comportamiento dinámico del circuito

 

Observando el comportamiento dinámico del circuito podemos ver que se cumple la tabla de la verdad y el circuito funciona de manera correcta.

 

Área del layout

 

Figura . Medimos el área del layout

 

Con el botón de “Measure distance” medimos e ancho y largo en lambdas.

Frecuencia máxima de operación

Vista 3D

Figura . Transistores en el layout

 

Figura . Vista de corte 3D del Layout

 

CONCLUSIONES:

   Ø  El layout mínimo de un circuito sirve para ahorrar área y aumentar la frecuencia máxima de trabajo.

   Ø  Con la vista de corte 2D y la vista 3D podemos observar los componentes de los layouts creados.

   Ø  En el archivo *.cir se encuentra la información del layout creado. Datos técnicos tales como: las capacitancias parasitas, W, L, el tipo de modelo del transistor, etc.

   Ø  En el archivo *.cif se encuentra la posición de los polígonos del polisilicio, sustrato tipo p y n, difusión p y n, etc.