Apresenta

1
CCS - Centro de Componentes Semicondutores
Circuito Inversor no processo nMOS
Diversas implementações com transistores MOS
Luiz/ Jacobus W Swart
2
Circuito Inversor nMOS como carga integrada
O inversor nMOS usa invariavelmente um
dispositivo MOS funcionando como resistência de
carga. O tamanho reduzido do MOS é motivo básico
de seu uso como tal. Enquanto um MOS de carga de
100K? ocupa aproximadamente 25 x 25 ?m2 , uma
resistência do mesmo valor exigiria 7,5?m x 7,5
mm. Outra vantagem importante do uso do MOS como
dispositivo de carga resulta quando se controla
sua porta, o qual permite que o dispositivo de
carga conduza apenas em determinados intervalos.
É o caso de circuitos de lógica dinâmica, que
apresentam reduzidos níveis de potência.

• Transistor de comando QD
• Transistor de Carga QL
• O tipo de dispositivo pode ser de (Depleção ou
  Enriquecimento)
• Polaridade do canal ( N ou P) e região de
  operação ( Triodo ou Saturação)

3
Tipos de Carga
Carga saturada A figura abaixo mostra este tipo
de inversor. Pode-se notar que a porta do
transistor de carga está ligada ao dreno desta
forma VgsVds e por seguinte Vds gt Vds (Tensão
de saturação). Assim, o transistor de carga
operará na região de saturação.
 Carga não saturada Se a porta do nMOS de carga
se liga a uma fonte de alimentação Vgg de um
valor tal que Vds lt Vds o transistor trabalhará
na região triodo. A condição para conseguir isto
é Vgg-VtgtVdd (45) Esta condição é fácil de se
verificar de acordo com a figura - 14 se
tem VdsVgs-(Vgg-Vdd) Se impormos a condição
que VdsltVgs-Vt Assumindo que VdsVgs-Vt Conclu
ímos que o dispositivo de carga está operando na
região de triodo.  
4
Características Estáticas do Inversor

• Nível Lógico 1 (Superior)

Carga saturada - Referindo-se à figura anterior,
quando Vin0V, o nMOS de comando estará cortado e
a corrente que flui pelo transistor de carga será
devida á fuga da região difundida que forma o
dreno do transistor de comando, QD e a fonte da
carga, assumindo que (Vgi)D gt 0. O nMOS de carga.
O nMOS de carga para permitir esta passagem de
corrente deve ter VgsgtVgi (Vbs) como é difícil
de prever esta corrente alguns autores aproximam
Vgs ao valor Vt (Vbs). Desta forma, a tensão de
saída, Vo, de nível lógico "1" será
Vo?Vdd-Vt (Vbs)
onde, Vt (Vbs) é a tensão de limiar dependente da
tensão substrato-fonte, Vbs. Com o substrato
polarizado.
VbsVbg (tensão de substrato)-Vo
Carga não saturada - Quando a expressão
(Vgg-Vt(Vbs)gtVdd é obedecida, o nMOS está
operando na região de triodo. Pode-se desenhar as
curvas Vgg-VddVgs-Vds sobre as características
de dreno do nMOS de carga, para mostrar que
quando Vgg-Vdd gt Vt(Vbs), o transistor de carga
somente apresenta corrente quando Vdsgt0. Desta
forma concluímos que a tensão nível lógico "1"
será
Vo ?Vdd
5
Curvas experimentais de transferência para dois
tipos de carga
6
Características Estáticas do Inversor

• Nível Lógico 0

Carga saturada - Para o cálculo do nível lógico
inferior que VtD -VtL posto que (Vbs)LVbg-Vo e
como Vo?0, resulta que (Vbs)L(Vbs)D. Como nível
lógico superior , Vdd-VtL deve excitar
adequadamente o estágio seguinte, assumiremos que
Vin Vdd-Vt.
Assim
Para QD
Desprezando vo2
Para QL
Onde
7
Carga não saturada - Levando se em conta as
aproximações anteriores e com VinVdd resulta
Desprezando Vo2,
8
Processo CMOS
O circuito inversor é formado de dois tipos de
transistores MOS
9
Curva de Transferência
Esta curva é composta de 5 regiões de operações
que são chamadas de A,B,C,D e F. Na região (A)
temos o transistor pMOS conduzindo na condição de
Triodo e o transistor nMOS cortado, pois a tensão
de entrada está abaixo da tensão de limiar (Vt)
conforme mostra a figura-17. Na região (B) temos
a transistor pMOS em Triodo e o transistor nMOS
na Saturação. Na região (C) temos ambos
transistores em Saturação. Na região (D) o
transistor pMOS está saturado e o transistor n
MOS está em Triodo e na região (E) o transistor
pMOS está cortado e o nMOS está em Triodo.
10
Para a condição de Triodo do transistor nMOS
temos
Para a condição de Saturação temos
Para a condição de Saturação temos
Para a condição de Triodo do transistor pMOS
temos
Para a condição de Saturação temos
11
Fluxo de Corrente x Dissipação de Potência para
o processo CMOS
Conforme mostrado anteriormente o inversor CMOS
apresenta dois transistores em série chaveados ao
mesmo tempo. A abaixo ilustra que a máxima
corrente no inversor ocorre quando a tensão de
entrada é igual a vdd/2 este aumento de corrente
influência na dissipação de potência do circuito
12
Na região C temos o chamado ponto de chaveamento
do inversor (Inverter Switching Point) onde a
tensão de saída é igual tensão de entrada
(vdd/2Vsp) e ambos transistores estão na
saturação.
Considerando
Temos a seguinte equação
Resolvendo temos
13
Tempo de carga do circuito inversor
14
Tempos de carga e descarga Transístor tipo P e N
15
(No Transcript)
16
4- PORTA LÓGICAS MOS
E 0 1
S 1 0
A) nmos, carga tipo depleção
a) Inversor
Ve ? Vt
VsV1Vdd
I0
Onde VeVdd
Ex
17
E2 0 1 0 1
S 1 0 0 0
E1 0 0 1 1
b) NOR
E1
SE1E2
E2
Usar o mesmo ?r do inversor
18
c) NAND
E2 0 1 0 1
S 1 1 1 0
E1 0 0 1 1
E1
SE1.E2
E2
Usar o ?r2?r inversor para obter o mesmo V0
19
B) CMOS
a) Inversor

V1 Vdd V0 0
?Independente de ?r
20
A curva de transferência será simétrica se ?n
?p onde ? (W/L).?.Co como ?n ? 3?p ? (W/L)p
? (W/L)n ? A(pMOS) gt A(nMOS) ? Há compromisso
entre integração (Área) e simetria da curva de
transferência
21
b) NOR
E2 0 1 0 1
S 1 0 0 0
E1 0 0 1 1
Com portas inversoras, NOR, NAND podemos fazer
qualquer função lógica. Porém, outras portas
permitem reduzir o número total de transistores
c) NAND
E2 0 1 0 1
S 1 1 1 0
E1 0 0 1 1
22
Layout de uma porta NOR CMOS
Layout de uma porta NAND CMOS