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VLSI Circuitos dinâmicos 1
FEUP/DEECMaio de 2008
Circuitos CMOS dinâmicosJoão Canas Ferreira
Tópicos deProjecto de Circuitos VLSI
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VLSI Circuitos dinâmicos 2
Conteúdo
Inclui figuras de:J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic
Digital Integrated Circuits, 2ª ed, Prentice-Hall
Características fundamentais de circuitos dinâmicos Aspectos do projecto de circuitos lógicos dinâmicos Famílias de circuitos dinâmicos
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VLSI Circuitos dinâmicos 3
Porta dinâmica
In1
In2 PDNIn3
Me
Mp
Clk
ClkOut
CL
Out
Clk
Clk
A
BC
Mp
Me
on
off
1off
on
((AB)+C)
Funcionamento em duas fasePré-carga (CLK = 0)Avaliação (CLK = 1)
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VLSI Circuitos dinâmicos 4
Condições de saída
• Após ter sido descarregada, uma saída não pode ser carregada de novo antes do ciclo seguinte de pré-carga.
• As entradas apenas devem fazer apenas uma transição por fase de avaliação.
• Saída pode estar em alta impedância durante a avaliação, estado permanece armazenado em C
L.
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VLSI Circuitos dinâmicos 5
Propriedades de portas dinâmicas• Função lógica implementada apenas por rede PDN.• Amplitude total (full-swing)• Níveis lógicos não dependem do dimensionamento dos transístores• Comutação rápida:
1. menor capacidade de entrada2. menor capacidade de saída3. toda a corrente de pull-down é dedicada à descarga de CL
• Não existe nunca um percurso entre VDD e Gnd• Ausência de “glitches” (apenas um transição de saída por ciclo)•Consumo de potência geralmente superior ao de CMOS estático
1. Carga extra sobre o sinal de CLK2. Maior actividade de transição de sinais3. Evitar o efeito das fugas de corrente pode permitir curto-circuito temporário
• Rede PDN é activada logo que sinais de entrada sobem acima de Vtn
VM=V
IH=V
IL=V
tn (NM
L reduzido!)
• Necessitam de relógio de pré-carga
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VLSI Circuitos dinâmicos 6
Exemplo: Porta NAND de 4 entradas
VOH VOL VM NMH NML tpHL tpLH tpre
2.5 V 0 V VTN 2.5-VTN VTN 110 ps 0 ps 83 ps
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VLSI Circuitos dinâmicos 7
Efeito de “glitches” de entrada
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VLSI Circuitos dinâmicos 8
Conteúdo
Características fundamentais de circuitos dinâmicos Aspectos do projecto de circuitos lógicos dinâmicos Famílias de circuitos dinâmicos
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VLSI Circuitos dinâmicos 9
Fuga de carga
CL
Clk
ClkOut
A
Mp
Me
Leakage sources
CLK
VOut
Precharge
Evaluate
Componente dominante: corrente “sub-limiar”
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VLSI Circuitos dinâmicos 10
Compensar a fuga de carga
CL
Clk
Clk
Me
Mp
A
B
Out
Mkp
Keeper
Abordagem semelhante à utilização de transístor de restauro em PTL."Keeper" deve ter resistência elevada.
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VLSI Circuitos dinâmicos 11
Partilha de carga
CL
Clk
Clk
CA
CB
B=0
A
OutMp
Me
Carga armazenada em C
L é redistribuída
(partilhada) entre CL e
CA, o que diminui a
robustez da porta lógica.
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VLSI Circuitos dinâmicos 12
Exemplo de partilha de carga
B = 0
Clk
X
CL
Ca
Cb
A
Out
Mp
Ma
VDD
Mb
Clk Me
C a
C L=
V tn
V DD−V tn
Condição "fronteira" :(< implica caso 1)
Mp
Me
VDD
φOut
φ
A
B = 0
CL
Ca
Cb
Ma
Mb
X
CLVDD CLVout t( ) Ca VDD VTn VX( )–( )+=
or
∆Vout Vout t( ) VDD–CaCL-------- VDD VTn VX( )–( )–= =
∆Vout VDDCa
Ca CL+----------------------
–=
case 1) if ∆Vout < VTn
case 2) if ∆Vout > VTn
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VLSI Circuitos dinâmicos 13
Partilha de carga: solução
Clk
Clk
Me
Mp
A
B
OutMkp
Clk
• Pré-carga dos nós internos através de transístor controlado pelo relógio.
• Aumento de área e consumo de potência.
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VLSI Circuitos dinâmicos 14
Acoplamento de “backgate”
CL1
Clk
Clk
B=0
A=0
Out1Mp
Me
Out2
CL2In
=1 =0
Porta NAND dinâmica Porta NAND estática
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VLSI Circuitos dinâmicos 15
Efeito do acoplamento
Vol
tage
Time, ns
Clk
In
Out1
Out2
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VLSI Circuitos dinâmicos 16
Acoplamento de relógio (Clock feedthrough)
CL
Clk
Clk
B
AOut
Mp
Me
•Ligação entre Out e entrada Clk do dispositivo de pré-carga devido à capacidade existente entre porta e dreno.
•A saída pode subir acima de VDD
.
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VLSI Circuitos dinâmicos 17
Exemplo de clock feedthrough
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VLSI Circuitos dinâmicos 18
Conteúdo
Características fundamentais de circuitos dinâmicos Aspectos do projecto de circuitos lógicos dinâmicos Famílias de circuitos dinâmicos
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VLSI Circuitos dinâmicos 19
Cadeias de portas dinâmicas
Clk
Clk
Out1In
Mp
Me
Mp
Me
Clk
Clk
Out2
V
t
Clk
In
Out1
Out2 ∆V
VTn
Apenas permitidas transições 0 → 1 nas entradas durante a fase de avaliação.
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VLSI Circuitos dinâmicos 20
Circuitos dominó
In1
In2 PDNIn3
Me
Mp
Clk
Clk Out1
In4 PDNIn5
Me
Mp
Clk
ClkOut2
Mkp
1 → 11 → 0 0 → 0
0 → 1
•Apenas implementa circuitos não-inversores•Elevada velocidade
1. inversor não precisa de ser simétrico (apenas transição L→H)2. capacidade de entrada reduzida (baixo esforço lógico)
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VLSI Circuitos dinâmicos 21
Projecto de circuitos dominó
Mp
Me
VDD
PDN
Clk
In1In2In3
Out1
Clk
Mp
Me
VDD
PDN
Clk
In4
Clk
Out2
Mr
VDD
Mp
Me
VDD
PDN
Clk
In1In2In3
Out1
Clk
Mp
Me
VDD
PDN
Clk
In4
Clk
Out2
Mr
VDD
Pode ser omitido mas implica ripple dapré-carga.
Entradas devem estar a 0 durante a pré-carga.
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VLSI Circuitos dinâmicos 22
A
B
Me
Mp
Clk
Clk
Out = AB
A B
MkpClk
Out = ABMkp Mp
Resolve o problema devido à inexistência de montagens inversoras.
1 0 1 0
onoff
Circuitos dominó diferenciaistransístores opcionais
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VLSI Circuitos dinâmicos 23
np-CMOS
In1
In2 PDNIn3
Me
Mp
Clk
Clk Out1
In4 PUNIn5
Me
MpClk
Clk
Out2(to PDN)
1 → 11 → 0
0 → 00 → 1
• Apenas transições 0 → 1 nas entradas de PDN.• Apenas transições 1 → 0 nas entradas PUN.