Aula 15
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Microeletrônica Germano Maioli Penello http://www.lee.eng.uerj.br/~germano Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica) Aula 15 1 Modelos para projetos digitais 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. 2 Modelos para projetos digitais 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 3 Modelos para projetos digitais 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 4 Modelos para projetos digitais 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. 5 Modelo de MOSFET digital 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: 6 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Como estimar uma resistência para este resultado? 7 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva Como estimar uma resistência para este resultado? Inverso da inclinação da reta 8 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva 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. 9 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva 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 mm e VDD = 5V) PMOS de canal longo (fator de escala de 1 mm e VDD = 5V) mobilidade do elétron é maior que a do buraco 10 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente! Usamos a corrente Ion para estimar a resistência NMOS de canal curto PMOS de canal longo 11 Modelo de MOSFET digital Resistência de chaveamento efetiva MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente! Usamos a corrente Ion para estimar a resistência NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V) PMOS de canal longo (fator de escala de 1 mm) Equações reescritas para incluir L 12 Modelo de MOSFET digital Efeitos Capacitivos 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 13 Modelo de MOSFET digital Efeitos Capacitivos Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo Modelo melhorado 14 Modelo de MOSFET digital Constante de tempo Qual é a velocidade de chaveamento do MOSFET? Constante de tempo tn = RnCox Canal longo: Mais lento - quadraticamente com L Independente de W Mais rápido para VDD maior Canal curto: Mais lento linearmente com L Independente de W Mais lento para VDD maior 15 Modelo de MOSFET digital Resumo 16 Tempo de transição e de atraso Relembrando 17 Tempo de transição e de atraso Tempo de subida - tr Tempo de subida da saída- tLH Tempo de descida- tf Tempo de descida da saída- tHL Tempo de atraso low to high - tPLH Tempo de atraso high to low - tPHL 18 Tempo de transição e de atraso No nosso modelo digital: Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra. Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas! 19 Exemplo Descarga Carga 20 Exemplo Descarga Carga Canal longo Canal curto 21 Exemplo Descarga Carga 22 Exemplo Simulação 23 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? 24 Projeto digital Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes? Casamento da resistência de chaveamento efetiva 25
