Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
4
Fizičko projektovanje
Sadržaj:1. Osnovni CMOS proces2. Pravila projektovanja3. Potpuno projektovanje po narudžbini4. Delimično projektovanje po narudžbini
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
5
Potpuno projektovanje po narudžbini
Sadržaj:
3. 1 Simboličko projektovanje3.2 Dimenzionisanje otpornika3.3 Dimenzionisanje kondenzatora3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
6
3.1 Simboličko projektovanje
Kako najlakše iz električne šeme preći na lejaut?
• Električna šema već sadrži • tranzistore• veze
• Tranzistor zameniti simbolom u kome figurišu elementi sadržani u lejautu (difuzija, gejt, metali, orijentacija,...)
• Stick dijagramLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
7
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
F
Sp
Bp
Dp
AVDDVSS VDDVSS A
FDp Sp
8
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
VDDVSS A
FDp Sp
VDDVSSA
FDp Sp
Bp
9
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
VDD
VSS
A FDp
Sp
VDD
VSS A
FSp
10
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
VDD
VSS
a b c dY
SAp
c d
c
Y
VDD
VSS
a
b
d
ba
11
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
12
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
13
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
14
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
15
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
16
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Kompakcija po širini
17
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Kompakcija po visini
18
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Standardizovanje dimenzija ćelija
19
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Realizacija širokih tranzistora W>>L
20
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Realizacija dugih tranzistora L>>W
21
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Kako proceniti dimenzije ćelija pre nego što se nacrta kompletan lejaut?
Treba se podsetiti pravila projektovanja:
Mimimalna širina metala i razmak između je po 4λ
Isto važi za difuziju
22
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Tranzistor minimalno zauzima
23
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
NAND3
visina 5x8=40λ
širina 4x8= 32λ
Dovoljno je prebrojati metalne (difuzije) trake i pomnožiti ih sa 8 λ
24
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
visina 6x8=48λ širina 5x8= 40λ
VDD
VSS
a b c dY
SAp
c d
c
Y
VDD
VSS
a
b
d
ba
25
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
visina 6x8=48λ širina 5x8= 40λ
26
3.1 Simboličko projektovanje
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Završna faza generisanja ćelija jeste eksportovanje u CIF (ili GDSII) format
Ove formate prepoznaju standardni editori lejauta (Virtuoso iz Cadence paketa i
IC Station iz Mentor Graphics paketa)
27
3.2 Dimenzionisanje otpornika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Polazi se od opšteg izraza za otpornost kvadra
Rs – slojna otpornost Ω/
r – efektivna vrednost količnika l/w = broju
dw
l
r Rwl
dρ
wdlρ
SlρR s==
⋅==
28
3.2 Dimenzionisanje otpornika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
29
3.2 Dimenzionisanje otpornika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Rs=200 Ω/
Otpornost kontakata Rc=10 Ω
R=2*10 Ω +
+ 2*9()*200 Ω/ +
+ 2() *200 Ω/+
+ 2*2,5()* 200 Ω/=
= 5020 Ω
30
3.2 Dimenzionisanje otpornika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
MOS tranzistor kao otpornik
.2
;|2||2|(
);,,min(
;';'
,0),1)(2
(
0,0
000
min
2min
min
ox
ASi
VTTFSBFTTTGSGT
DsatDSGT
ox
oxnoxn
GTDSGTD
GTD
CNq
VVVVVVVV
VVVVt
CkL
Wk
VVVVVI
VI
SB
εγ
φφγ
εµµβ
λβ
=
=−−+−+=−=
=
===
>+−=
≤=
=
; ;
:je gde
za
za
31
3.2 Dimenzionisanje otpornika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
MOS tranzistor kao otpornik
Ekvivalentna otpornost tranzistora (W=L=0.25µm) za različite vrednosti VDD; za veće tranzistore podeliti Req sa W/L
32
3.3 Dimenzionisanje kondenzatora
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
33
3.3 Dimenzionisanje kondenzatora
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
34
3.3 Dimenzionisanje kondenzatora
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
35
3.3 Dimenzionisanje kondenzatora
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
36
3.3 Dimenzionisanje kondenzatora
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:NA=1,5 1016cm-3; ND=1020cm-3; L=W=5µm; xs=xd=0,5µm; tox=0,05µm; VBS=-1V; VDB=-5V
Co=CoxWL=18fFCSU = 16,5fFCDU = 8,2fF
37
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Dva kriterijuma za optimizaciju:
1. Simetrična prenosna karakteristika
2. Minimalno kašnjenje
38
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
1. Simetrična prenosna karakteristika
;' ;'
:je gde2
)( 2
ox
oxnoxn
TGSD
tCk
LWk
VVI
εµµβ
β
===
−=
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
39
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
1. Simetrična prenosna karakteristika
0,53VDD3
0,5VDD2
0,474VDD1,4
0,25VDD1
Vinv(Wp/ Lp)/ (Wn/ Ln)
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
40
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
1. Simetrična prenosna karakteristika
λµµ
µµ
µ
µ
β
β
µβµβ
2 za 2
1
;
min ===≈=
=⇒==
==
LLLWWW
LW
LW
LWC
LW
C
LW
CLWC
npnnp
np
n
n
p
n
p
p
n
noxn
p
poxp
n
p
p
poxpp
n
noxnn
41
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
1. Simetrična prenosna karakteristikaNajmanje dimenzije invertora sa simetričnom
prenosnom karakteristikom (napon invertovanja=VDD/2) iznose
Ln=Lp=2λWn=4λ i Wp=8λ
Wn/ Ln =4/2 i Wp/ Lp =8/2;
kn~ Wn/ Ln ; kp~ Wp/ Lp ;
JEDINIČNI INVERTOR usvajamo kn=1
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
nnp
np kkk 2≈=
µµ
42
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Kakve su dinamičke karakteristike jediničnog invertora?
U digitalnim CMOS kolima tranzistori imaju funkciju prekidača preko kojih se izlaz vezuje za VDD,odnosno VSS.
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
Dinamičke osobine CMOS kola određuju vremenske konstante punjenja i pražnjenja izlazne kapacitivnosti
43
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Otpornost tranzistora
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
;2 za R
'11'1
;'11'1)(
11)(
111
nnp
npeqneqp
eqnp
n
p
n
ppp
p
peqp
nnn
n
neqn
TGSoxTGSDS
deq
kkkRR
Rkkr
kr
WL
R
rk
rWLR
VVWL
CVVVIR
≈===
===
==
−=
−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
=−
µµ
µµ
µµ
µµ
µβ
44
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Kapacitivnost tranzistora proporcionalna je sa WL.
Ukoliko govorimo o tranzistoru kod koga je je L=1, tada je Cef~W;
to znači da je Cef ~k,
odnosno Cefn= knC i
Cefp= kpC
gde je C ekvivalentna kapacitivnost jediničnog tranzistora (minimalnih dimenzija, kn=1)
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
45
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Usvajanjem da difuzione kapacitivnosti drejna i sorsa imaju vrednost približno jednaku kapacitivnosti gejta dobijaju se ekvivalentni RC modeli nMOS i pMOS tranzistora
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
46
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Ekvivalentni model jediničnog invertora opterećenog identičnim invertorom
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
47
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Ukupna kapacitivnost vezana za izlaz jednaka je 6C (3C od prvog jediničnog invertora i 3 od drugog)
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
Vremenska konstanta punjenja/pražnjenja je τ=6RC, dok je vreme kašnjenja prednje i zadnje ivice isto i iznosi tp=0,69*6*RC
Pri tome, kašnjenje neopterećenog jediničnog invertora iznosi t0=0,69*3*RC
Znajući ovo, može da se normalizuje vrednost RC iz podataka o kašnjenju jediničnog invertora u određenoj tehnologiji.
48
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Vremena kašnjenja u složenim CMOS kolima procenjuju se na bazi Elmorovog modela kašnjenja
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
...)( 21211
1 1
+++=
== ∑ ∑ ∑= =
−
RRCRCt
RCCRt
pd
i
N
i
i
jjiiinpd
49
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:
a) Skicirati NAND3 ćeliju koja će, u najgorem slučaju,imati istu ekvivalentnu otpornost kao jedinični invertor.
b) Odrediti kapacitivnosti vezane za svaki čvor znajući da redno vezani tranzistori dele istu difuziju.
c) Primenom modela Elmorovog kašnjenja proceniti kašnjenje prednje i zadnje ivice u najgorem slučaju ako jeNAND3 kolo opterećeno sa n identičnih NAND3 ćelija.Usvojiti da je C=2fF i R=2.5kΩ za 0.18µm tehnologiju iizračunati kašnjenja za n=4.
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
50
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:
a) Skicirati NAND3 ćeliju koja će, u najgorem slučaju,imati istu ekvivalentnu otpornost kao jedinični invertor.
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
51
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:
b) Odrediti kapacitivnosti vezane za svaki čvor znajući da redno vezani tranzistori dele istu difuziju.
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
52
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:
c) Primenom modela Elmorovog kašnjenja proceniti kašnjenje prednje i zadnje ivice u najgorem slučaju ako je NAND3 kolo opterećeno sa n identičnih NAND3 ćelija. Usvojiti da je C=2fF i R=2.5kΩ za 0.18µm tehnologiju i izračunati kašnjenja za n=4.
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
tpLH=(7+5n)*RC=135ns
53
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer:
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
tpHL= (R/3)(3C) +
(2R/3)(3C) +
(3R/3)(3C)((7+5n)C) =
= (10+5n) *RC=150ns
54
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
2. Kriterijum minimalnog kašnjenja
CL= (kn + kp )C
tpHL=0.69*ReqnCL,
tpLH=0.69*ReqpCL= 0.69*(µn/µp)(kn/kp)*ReqnCL
tp= (tpLH+ tpLH)/2= 0.69*(1+(µn/µp)(kn/kp))*ReqnCL
Minimalno tp dobija se za nnp
np kkk 2≈=
µµ
55
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
“Trikovi” za poboljšanje dinamičkih osobina digitalnih kola:
Kompromis između površine i kašnjenja
56
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
3.4 Dimenzionisanje tranzistora u digitalnim kolima
“Trikovi” za poboljšanje dinamičkih osobina digitalnih kola:
Veza višeulaznog kola za veliko kapacitivno opteređenje
57
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Problem dimenzionisanja složeniji je nego kod digitalnih kola
U analognim kolima tranzistor obavlja funkciju u svim radnim režimima.
Modeli tranzistora su složeniji
Funkcije tranzistora su različite (pojačavač, dinamička otpornost,...)
Specifikacija zahteva iskazuje se u različitim domenima (DC, AC, TR)
Međusobni uticaj pojedinih podsistema izuzetno je značajan.
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
58
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Potrebno je obezbediti
Viz=(VDD-VSS)/2 i Id=8µA
Poznato je µn=800cm2/Vs, µp=400cm2/Vs
VDD=5V, VSS=0V, VTn=-VTp=1V,
Cox=68,75pF/cm2
Viz =2,5V, VGSn= Viz - VSS =2,5V; VGSp= Viz - VDD =-2,5V;
59
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
2)(
2)(
5518
2)(
2)(
22
2
2
TpDDizox
p
pp
Tnizox
n
nn
n
nDpDnD
TpGSpox
p
ppDp
TnGSnox
n
nnDn
VVVC
LWVV
CLW
LW
AIII
VVC
LW
I
VVCLWI
−−=
−
=⇒===
−=
−=
µµ
µ
µ
µ
60
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
552
2)2/(
2)2/( 22
≈=⇒=
−−=
−
n
n
p
n
p
p
p
pp
n
nn
TpDD
p
pp
TnDD
n
nn
LW
LW
LW
LW
VVLWVV
LW
µµ
µµ
µµ
61
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Ukupna površina
A=WnLn+WpLp
Wn=Wp =1; Ln=55, Lp=55/2
A=82,5
Ekvivalentna izlazna otpornost
Riz= Rizn|| Rizp= 125kΩp
62
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Alternativno rešenje
Viz =2,5V, VGS1n= VGS2n = VDD /4=1,25V,
VGS1p= VGS2p = -1,25V,
Viz - VSS =2,5V; VGSp= Viz - VDD =-2,5V;
63
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Alternativno rešenje
495648
2)(
2)(
1
1121
2
2
=⇒=
====
−=
−=
n
nDn
DpDpDnDnD
TpGSpox
p
ppDp
TnGSnox
n
nnDn
LW
AI
IIIII
VVC
LW
I
VVC
LW
I
µ
µ
µ
64
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Alternativno rešenje
4951282
2)4/(
2)4/( 22
=≈=⇒=
−−=
−
n
n
n
n
p
n
p
p
p
pp
n
nn
TpDDox
p
pp
TnDDox
n
nn
LW
LW
LW
LW
LW
VVC
LWVV
CLW
µµ
µµ
µµ
65
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.yu/
Primer razdelnik napona
3.5 Dimenzionisanje tranzistora u analognim kolima
Alternativno rešenje
Ukupna površina
A=2(WnLn+WpLp)
Wn=Wp =1; Ln=495/64, Lp= 495/128
A=23,2
Ekvivalentna izlazna otpornost
Riz= Rizn|| Rizp= 94kΩp