Giải bài tập VLSI trong sách Digital Integrated Circuits A Design Perspective Jan M Rabaey

1

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 3:......................................................................................................................2
Bài 6: ………………………………………………………………..……....2
Bài 8 : ……………………………………………………………..………....5

CHƯƠNG 5:......................................................................................................................7
Bài 3:…………………………………………………………..…..…..….....7
Bài 4 : …………………………………………………………….................9
Bài 9………………………………………………………………..…..…...11
Bài 14 : ……………………………………………………………..............16

CHƯƠNG 6: ...................................................................................................................19
Bài 1:…………………………………………………………..…..…..…....19
Bài 4 : ……………………………………………………………................20
Bài 6………………………………………………………………..…..…...21
Bài 7 : ……………………………………………………………................22

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


2

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

CHƯƠNG 3
Bài 6
Dữ liệu được trong bảng 1 cho một transistor NMOS kênh ngắn mạch với V DSAT = 0.6V và
, tính VT0, λ, γ, và
Table 0.1 Measured NMOS transistor data
VGS

VDS

VBS

ID (µA)

1
2

2.5
2

1.8
1.8

0
0

1812
1297

3

2

2.5

0

1361

4
5

2
2

1.8
1.8

–1
-2

1146
1039

Giải
Transistor NMOS kênh ngắn mạch nên
Với Vmin = min[(VGS - VT), VDS, VDSAT]
Trước tiên chúng ta cần xác định vùng hoạt động.
Bất kỳ dữ liệu nào trong vùng bão hòa VT sẽ có giá trị trong khoảng :
VGS – VT < VDSAT → 2 – VT < 0.6 → VT > 1.4V
Đây là giá trị khá cao so với quá trình của chúng ta vậy nên chúng ta giả sử rằng tất cả dữ

liệu trong bảng là được lấy trong vùng bão hòa nhanh, chúng ta sẽ kiểm tra giả thuyết này .
Bão hòa nhanh :
Sử dụng các thông số ở hàng 1 và 2 trong bảng thay vào phương trình trên ta có.
Hàng 1 :
Hàng 2 :
Chia 2 phương trình theo từng cặp ta có :

→
→ thõa mãn điều kiện trong vùng bão hòa nhanh
Tiếp tục sử dụng các thông số ở hàng 2 và 3 trong bảng thay vào phương trình trên ta có.
Hàng 2 :

Hàng 3 :
Chia 2 phương trình theo từng cặp ta có :

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

→
Tiếp tục sử dụng các thông số ở hàng 2 và 4 trong bảng thay vào phương trình trên ta có.
Hàng 2 :
Hàng 4 :
Chia 2 phương trình theo từng cặp ta có :

Tiếp tục sử dụng các thông số ở hàng 2 và 5 trong bảng thay vào phương trình trên ta có.
Hàng 2 :

Hàng 5 :

Chia 2 phương trình theo từng cặp ta có :

Cả hai giá trị đều thõa mãn điều kiện
Vậy nên tất cả giá trị trong bảng 1 đều thõa mãn trong vùng hoạt động bão hòa
nhanh.
Bây giờ sử dụng với = 0.44V thay lần lượt vào công thức trên chúng ta có hệ
phương trình 2 ẩn theo và , đặt

→
Chia 2 vế cho nhau ta có :
→
→
→
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

3


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

4

Lấy bình phương 2 vế ta có :

→
→
Lấy bình phương 2 vế một lần nữa ta có :
→

Vậy ta có:

Thay

vào phương trình

→
→
Để tìm tỉ số ta thay các thông số dữ liệu ở hàng 2 trong bảng 1 với V T0 = 0.44V.
→
Kết luận :
,,,,

Bài 8
Cho transistor NMOS được mắc như hình bên dưới, ngõ vào V in=2V. Nguồn dòng I
không đổi, I = 50µA. Biến trở R có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng 10kΩ đến 30 kΩ.
Transistor M1 trải qua hiệu ứng kênh ngắn mạch và có các thông số như sau: , V T=0.4, và
VDSAT=0.6V, , λ = 0, γ = 0.

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


5

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử
a
b
c

Khi R = 10kΩ , tìm vùng hoạt động của mạch. VD và VS
Khi R = 30kΩ , xác định lại vùng hoạt động của mạch. VD và VS
Cho trường hợp R = 10kΩ, VS sẽ tăng hay giảm nếu λ ≠0?. Giải thích chất lượng

mạch.

Giải:
Khi R = 10kΩ.
VD = VDD – IR
→
= 2.5 – 0.5 = 2V
Giả sử M1 hoạt động trong vùng bão hòa.
a

→
→ = 0.3V
→VGS = VT + 0.3V = 0.4V + 0.3V = 0.7V
VS = Vin – VGS = 2 – 0.7 = 1.3V
Vmin = min(VGS – VT, VDSAT, VDS) = min(0.3, 0.6 , 0.7) = VGS – VT
→ Mạch ở trạng thái bão hòa,
VD = 2V
Hoạt động trong
VS = 1.3V
vùng bão hòa
b

Khi R = 30kΩ
VD = VDD – IR
→
→
= 2.5 – 1.5 = 1V
Giả sử mạch hoạt động trong vùng tuyến tính.
Thay VDS = VD- VS , VGS = Vin - VS và các thông số ta có :
→

→
→
→ VS = 0.93V
Vmin = min(VGS – VT, VDS ,VDSAT) = min(2 - 0.93 – 0.4, 0.07 , 0.6) = VDS
→ Mạch hoạt động trong vùng tuyến tính
VD = 1V
Hoạt động trong
VS = 0.93V
vùng tuyến tính

VS tăng hay giảm nếu λ ≠0.
Trường hợp R = 10kΩ, mạch hoạt động ở trạng thái bão hòa nên dòng I
Nếu λ ≠0 là
Ở đây VD cố định do dòng I = constant = → VS tăng dẫn đến VGS giảm vì Vin cố
định.
Nếu như VGS giảm tới một mức ≤ VT thì mạch sẽ ngưng dẫn.
c

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


6

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

CHƯƠNG 5
Bài 3:
Cho bộ đảo với trở tải như hình 5.3.

a. Nhận xét về chất lượng mạch tại sao mạch này lại có hoạt động giống như bộ đảo.

b. Tìm VOH và VOL tính toán VIH và VIL.
c.

Tìm NML và NMH , vẽ VTC sử dụng HSPICE.
d. Tính toán công suất tiêu tán trung bình cho 2 trường hợp :
1. Vin = 0V
2. Vin = 2.5V
e. Sử dụng HSPICE để vẽ VTC cho RL =37k, 75k và 150k trên một hình.
f. Ghi chú mối quan hệ quan giữa các điện táp VTC quan trọng và điện trở tải R L.
g. Tải trở kháng có vẻ như được sử dụng để tạo ra nhiều hơn đặc tính bộ đảo lý tưởng.

Giải
a. Nhận xét về chất lượng mạch tại sao mạch này lại có hoạt động giống như bộ đảo.

Cho VIN < VT, M1 là hoạt động trong vùng ngắt, do đó I = 0 và Vout = 2.5V.
Cho VIN > VT, M1 dẫn và Vout = 2.5v – I*R . Điện áp ngõ ra mức thấp và tín hiệu ngõ vào
như 1 bộ đảo.
b. Tìm VOH và VOL tính toán VIH và VIL.
Giả sử bỏ qua dòng đỉnh:
khi Vin < VT, M1 là ngưng dẫn và VOH = 2.5V.
Cho Vin = 2.5V, giả sử M1 là trong vùng tuyến tính và bởi vì VDS là bỏ qua trong vùng tuyến
tính, điều chế chiều dài kênh có thể lờ đi.
Cho vùng tuyến tính:
Kiểm tra giả thuyết : VGT = 2.07, VDSAT=0.63V và VDS = 46.25mV
Vậy giả thuyết đúng là M1 hoạt động trong vùng tuyến tính.
Để tìm VM, thiết lập phương trình dòng NMOS với điện áp ngõ vào và ra.
VM=0.79V
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Để tìm VIL và VIH, dựa vào sườn của VTC, ở VM là có nguồn gốc và được ngoại suy ra VOH
và VOL. Lờ đi hiệu ứng điều chế chiều dài kênh, độ dốc được đưa ra bởi :
c. Tìm NML và NMH , vẽ VTC sử dụng HSPICE.

NML = VIL = 0.607V
NMH = 2.5V – VIH = 1.63V

d. Tính toán công suất tiêu tán trung bình cho 2 trường hợp :
1. Vin = 0, nghĩa là M1 ngưng dẫn, do đó IVDD = 0 và PVDD = 0.
2. Vin = 2.5V, Vout =VOL = 46.25mV,

e. Sử dụng HSPICE để vẽ VTC cho RL =37k, 75k và 150k trên một hình.

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

7


8

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

f. Ghi chú mối quan hệ quan giữa các điện táp VTC quan trọng và điện trở tải R L.

Nếu RL tăng, đường cong VTC trở nên lý tưởng hơn với những lý do sau :
VOL giảm, NML tăng, VIH giảm và NMH tăng. Tuy nhiên, điều đó dẫn đến sự cân bằng bởi vì ,
RL tăng, VIL giảm sẽ làm kém sự lý tưởng và VOH vẫn không thay đổi.
g. Tải trở kháng có vẻ như được sử dụng để tạo ra nhiều hơn đặc tính bộ đảo lý

tưởng.
Khi tải trở kháng tăng lên, nó sẽ cân bằng, bộ đảo VTC trở nên lý tưởng hơn với độ lợi cao
và dĩ nhiên là biên độ nhiễu sẽ tốt hơn. Tuy nhiên, đường cong VTC là dịch chuyển sang M1
và điện áp ngưỡng là thấp hơn khi VTC di chuyển sang trái.

Bài 4:
Cho bộ đảo như hình 5.3 ( trong bài 3) và tải ngõ ra là 3pF
a. Tính tpHL và tpLH và tp.
b. Thời gian trễ tăng và giảm có bằng nhau không? Tại sao bằng và tại sao không?
c. Tính công suất tiêu tán tĩnh và động với giả thuyết cổng là được đóng nhanh nhất có
thể

Giải
a. Tính tpHL và tpLH và tp.

tpLH = 0.69*RL*CL = 0.69*75k*3pF= 155ns
Với : tpHL
Đầu tiên ta tính RON cho Vout = 2.5V=VDS và Vout = 1.25V= VDS
Ở Vout = 2.5V ,
Thay các giá trị vào ta có:
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Tương tự với Vout = 2.5V

→
→
Dĩ nhiên điện trở trung bình là:

→
tpHL = 0.69*Ravg*CL = 0.69*4.37k*3pF= 9.05ns
vậy
b. Thời gian trễ tăng và giảm có bằng nhau không? Tại sao bằng và tại sao không?

tpLH >> tpHL bởi vì RL = 75kΩ là lớn hơn điện trở tuyến tính hiệu dụng Ron của M1.
c. Tính công suất tiêu tán tĩnh và động với giả thuyết cổng là được đóng nhanh nhất có
thể
Công suất tĩnh :
VIN = VOL cho Vout = VOH = 2.5V, dĩ nhiên IVDD = 0A vậy nên PVDD = 0W
VIN = VOH cho Vout = VOL , mạch hoạt động trong vùng tuyến tính
Mặt khác :

Tính toán dòng qua M1 ta có :
suy ra PVDD =VDD*ID=2.5*32.7µA= 82mW
Công suất động :
Ta có công suất tiêu tán gồm công suất qua tải RL khi tụ CL được nạp và công suất qua M1
khi tụ CL xả.

Mà :
Vậy :
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

9


10

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Bài 9:
Cho mạch như hình 5.7, được biết như là cấu hình theo nguồn. Nó đạt được một sự
thay đổi mức DC giữa ngõ ra và ngõ vào. Giá trị thay đổi được xác định bởi dòng I 0. Giả
sử , ,, , và

a. Giả sử chúng ta muốn thay đổi mức điện áp danh định giữa Vi và Vo là 0.6V trong

mạch 5.7 (a). Bỏ qua hiệu ứng backgate, tính toán độ rộng của M2 để đáp ứng mức
thay đổi này.
b. Bây giờ giả sử có 1 ý tưởng thay thế M2 bằng 1 nguồn dòng (hình 5.7 (b)) . Transistor
NMOS M1 trải qua một thay đổi trong VT do hiệu ứng backgate. Tìm VT như là 1 hàm
của V0 cho V0 dao động từ 0 đến 2.5V với khoảng cách là 0.5V. Vẽ VT với V0
c. Vẽ V0 so với Vi , V0 dao động từ 0 đến 2.5V với khoảng cách là 0.5V. Vẽ 2 đường
cong : 1 bỏ qua hiệu ứng body effect và c có body effect. Hiệu ứng body effect ảnh
hưởng như thế nào đến sự hoạt động chuyển đổi mức?
d. ở V0 = 2.5V (với body efect ), tìm V0 (ý tưởng) và xác định lỗi tối đa đã được đưa ra
bởi body effect.

Giải:
a. Mức dịch chuyển 0.6V nói với chúng ta đó là VGS1 = 0.6V

VGT1 = VGS1 – VT0 = 0.6-0.43 = 0.17V.
Điều này có nghĩa là M1 tốt nhất trong vùng bão hòa ( không phải bão hòa
nhanh).
Do đó,
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


11

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Thay giá trị vào ta có :
Cho M2,
VGT2 = Vin - VT0 = 0.55 – 0.43 = 0.12V
Do đó M2 cũng trong vùng bão hòa.
Ta có :
Thay cac giá trị ta có:

b. Tìm hàm VT theo sự thay đổi của V0.

Phương trình điện áp ngưỡng. Khi thay M2 bằng 1 nguồn dòng thì VSB = VO.
→
Với giá trị thay đổi từ 0 đến 2.5V với bước nhảy là 0.5V
Với V0 = 0V thì VT = VT0 = 0.43V
Với V0 = 0.5V thì
Với V0 = 1V thì
Với V0 = 1.5V thì
Với V0 = 2V thì
Với V0 = 2.5V thì
Hình biểu diễn mối quan hệ giữa V0 và VT.

c. Vẽ mối quan hệ giữa Vin và Vo khi không có body effect và có body effect.
 Khi không có body effect:

→
Mà VGS = Vin – VS = Vin – Vo
→

vì VS = Vo và VT = VT0

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


12

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

→
Thay các giá trị ta có:

Thay lần lượt các giá trị của Vo ta có :
Với Vo = 0V
Với Vo = 0.5V
Với Vo = 1V
Với Vo = 1.5V
Với Vo = 2V
Với Vo = 2.5V

thì
thì
thì
thì
thì
thì

Vin = 0.6V
Vin = 1.1V
Vin = 1.6V
Vin = 2.1V

Vin = 2.6V
Vin = 3.1V

 Khi có body effect:

→
Mà VGS = Vin – VS = Vin – Vo
Và
Thay

vì VS = Vo

→
→
Thay các giá trị ta có:

Thay lần lượt các giá trị của Vo ta có :
Với Vo = 0V
Với Vo = 0.5V
Với Vo = 1V
Với Vo = 1.5V
Với Vo = 2V
Với Vo = 2.5V

thì
thì
thì
thì
thì
thì

Vin = 0.6V
Vin = 1.21V
Vin = 1.8V
Vin = 2.1V
Vin = 2.95V
Vin = 3.5V

Hình biểu diễn mối quan hệ giữa Vin và Vo trong trường hợp có body effect và không.

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

d. Xác định lỗi lớn nhất xảy ra bởi body effect.

Lỗi lớn nhất xảy ra khi VSB là lớn nhất. Tức ở Vo = 2.5V
Điện áp lỗi Verror = 3.4944 – 3.1 = 0.3944V

Bài 14:
Một bộ đảo hoạt động như hình 5.11 với VDD = 0.4V và bao gồm . NMOS và PMOS
có Io và n giống hệt nhau.
a. Tính ngưỡng chuyển mạch (VM) của bộ đảo
b. Tính VIL và VIH của bộ đảo

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

13

14

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Giải
a. Tính ngưỡng chuyển mạch (VM) của bộ đảo

Mối quan hệ I-V là được cho bởi , giả sử VDS > 50mA. Tính toán điện áp ngưỡng chúng ta
cần tìm Vin = Vout . Vậy nên cân bằng giá trị tuyệt đối của dòng của NMOS và PMOS chúng
ta có :

Bỏ Io và lấy ln 2 vế ta có:

Chuyển hàm ln qua 1 bên và thay Vout = Vin ta có:

Thay các giá trị : VDD = 0.4V, VT = 26mV, , và n = 1.5 vào phương trình trên ta có.
Vì và rất nhỏ, gần về 0 nên xấp xỉ 0 dẫn đến
Vin = 0.2V.
Vậy chúng ta có điện áp ngưỡng chuyển mạch Vin = Vout = VDD/2 = 0.2V
b. Tính VIL và VIH của bộ đảo
Để tính toán biên độ nhiễu, chúng ta cần tính sườn của VTC ở VM = VDD/2.
Cân bằng dòng chúng ta có:
Bỏ I0 và lấy vi phân 2 vế theo Vin chúng ta có :

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

15

→

Chuyển

sang bên phải và Nhóm các số hạng giống nhau ta có:

Thay Vin = Vout = VDD/2 chúng ta có:

→
→
→
→
→
→ cuối cùng :
Thay các giá trị : VDD = 0.4V, VT = 26Mv, , và n = 1.5 vào phương trình trên ta có.

Đây là giá trị nhiều hơn sự mong đợi ở 1 bộ đảo CMOS ( g ≈ -30). Tuy nhiên chúng ta nên
ghi nhớ rằng chế độ ngưỡng dưới của CMOS có hoạt động cơ bản như thiết bị lưỡng cực và
có thể mang lại giá trị như vậy.
Chúng ta đã biết : VIL = VM + (VDD-VM)/g và VIH = VM - VM/g ( từ phương trình 5.7 trong
textbook). Thay các giá trị VM = 0.2V, g=-325.6 và VDD = 0.4V ta có :

Vậy : NMH = VOH – VIH = 0.4 - 0.2006 = 0.1994V
NML = VIL – VOL = 0.1994 – 0 = 0.1994V.
Vậy : NMH = NML = 0.1994V

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

16

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

CHƯƠNG 6
Bài 1
Thực hiện phương trình sử dụng hỗ trợ CMOS. Kích thước của thiết bị sao cho trở kháng
ngõ ra là giống như một bộ đảo với W/L = 2 với NMOS và W/L = 6 với PMOS. Mô hình
ngõ vào nào sẽ tốt và xấu tương đương điện trở kéo lên hoặc kéo xuống.

Giải
Ta thực hiện vài thao tác biến đổi với sự giúp đỡ của đại số Boole.
Ta có định lý De Morgan :

Áp dụng định lý trên để biến đổi X :

Với dạng của X như trên cho phép chúng ta xây dựng mạng pull-down bằng cách kiểm tra
( thực hiện mạch song song với cổng OR và nối tiếp với cổng AND). Mạng pull-up là bao
gồm 2 mạng pull-down.

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


17

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Sơ đồ mạch như trên cho chúng ta thấy kích cỡ mạch phù hợp với yêu cầu, trong trường
hợp xấu nhất, trở kháng ngõ ra của mạch giống như trở kháng ngõ ra có một bộ đảo với W/L

= 2 với NMOS và W/L = 6 với PMOS.
Trở kháng pull-up ở trường hợp xấu nhất xảy ra bất kỳ lúc nào tồn tại một đường đơn từ
nút đến Vdd. Ví dụ của các vector đối với trường hợp xấu nhất ABCDEFG = 0000001.
Trường hợp trở kháng pull-up xảy ra tốt nhất khi ABCDEFG = 0000000.
Trường hợp trở kháng pull-down tốt nhất xảy ra khi ABCDEFG = 1111111.

BÀI 4

a. Hai mạch như hình 6.4 thực hiện chức năng có giống như một cổng logic không? Nếu

đúng, nó là chức năng gì? Nếu không, đưa ra biểu diễn Boolean cho cả 2 mạch.
b. Điện trở ngõ ra của 2 mạch có luôn bằng nhau không?
c. Thời gian tăng và giảm của 2 mạch có bằng nhau không? Tại sao?

Giải
a. 2 mạch trên thực hiện chức năng giống một cồng logic. Hàm ngõ ra của nó được biểu diễn

bằng đại số Boolean như sau:
b. Điện trở ngõ ra của 2 mạch không bằng nhau.
c. Thời gian tăng và giảm của 2 mạch không bằng nhau.

Bởi vì:
 Xét trường hợp các tín hiệu đầu vào đến ko cùng lúc
Ở mạch B: tín hiệu vào E nằm gần ở đầu ra hơn. Do đó nếu tín hiệu vào E mà có đến
chậm hơn thì ở mạch B tín hiệu ra sẽ nhanh hơn so với mạch A ( tất cả các node bên
trong đều đã được nạp và chỉ có điện dung đầu ra là cần đuợc chuyển mạch)
 Xét trường hợp các tín hiệu đầu vào đến cùng lúc : thì thời gian lên và xuống cũng ko
bằng nhau bởi vì:
Xét tất cả các tín hiệu vào E, A, B, C, D đều ở mức thấp. Khi đó ở mạch A chỉ có một cực
Body của transistror đầu vào E được nối lên VDD, do đó chỉ có một transistor tín hiệu vào E

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


18

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

chịu ảnh hưởng của body-effect. Trong khi đó ở mạch B thì có 4 transistor với đầu vào A, B,
C, D đều có cực body nối lên VDD, do đó có 4 transisor chịu ảnh hưởng của body-effect.
Vậy thời gian lên và xuống ở mạch A chịu ảnh hưởng của 1 điện trở
Thời gian lên và xuống ở mạch B chịu ảnh hưởng của 4 điện trở mắc song song.
Do đó thời gian lên và xuống của 2 mạch này ko bằng nhau

BÀI 6
Mạch A và B trong hình 6.5 thực hiện chức năng gì? Mạch nào là dual network và cái nào
không? Mạng nào không phải là dual nhưng vẫn là cổng logic tĩnh hợp lệ? Giải thích. Liệt kê
bất kỳ lợi ích của mạch so với 1 cấu hình khác.

Giải
Hàm ngõ ra của cả 2 mạch như sau:
 Cả mạch A và mạch B đều thực hiện chức năng của một cổng logic XOR.
 Mạch A là một dual network bởi vì mạng kéo lên là cặp đôi với mạng kéo

xuống.
Tuy nhiên, mạch B vẫn giữ giá trị của cổng logic ở trạng thái tĩnh, bởi vì với bất kỳ kết
hợp nào của ngõ vào, có một điện trở thấp từ VDD hoặc đất tới ngõ ra.
Mạch B với các khối kéo xuống NMOS và kéo lên PMOS(vì transistor NMOS có cung
cấp dòng điện lớn hơn transistor PMOS có cùng kích thước và điện dung transistor
PMOS ).Mạch B được sử dụng các cổng phức tạp tạo ra các tổ hợp đảo các hàm logic tốt
hơn. Mạch B có khả năng chống nhiễu tốt,không tiêu thụ công suất tĩnh.

Mạch B có tiến bộ hơn. Bởi vì điện dung bên trong nút ít hơn so với mạch A, điều đó sẽ làm
cho nó nhanh hơn so với mạch A.

Bài 7
Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


19

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Tính toán các giá trị của bộ đảo NMOS như hình 6.4

a.
b.
c.
d.

VOH và VOL
NML và NMH
Tiêu tán công suất : 1 cho Vin thấp và 2 cho Vin cao.
Cho ngõ ra tải 1pF, tính toán t pLH , tpHL và tp . Trễ tăng và giảm bằng nhau không? Tại
sao?

Giải
a. VOH và VOL

Để tìm VOH :
Cho Vin = 0, bởi vì VOL có thể thấp hơn VT0 đối với NMOS.
Nếu Vin = 0, M1 ngưng dẫn, lúc này VOH = VDD = 2.5V.

Để tìm VOL
Cho Vin = VOH= 2.5V. lúc này cả NMOS và PMOS đều dẫn, ngõ ra Vo = 0V. Để tìm VOL
chúng ta viết phương trình quan hệ dòng ở nút ngõ ra :
Đầu tiên, chúng ta xác định vùng hoạt động của mỗi NMOS và PMOS. Chúng ta giả sử
VDS = VOL =Vo < VDSAT đối với NMOS, vậy nên NMOS hoạt động trong vùng tuyến tính
VGTn = VGS – VTn = 2.5 – 0.43 =2.07V. VDS của PMOS âm hơn VDSAT và
VGTp = VGS - VTp =Vin – VDD – VT =0 – 2.5 (- 0.4) = – 2.1V, vậy nên PMOS là ở trạng thái
bão hòa nhanh. Phương trình như sau.
Thay các giá trị trong bảng 3.2 dưới đây vào phương trình trên ta có :

→

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


20

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Giải phương trình bậc 3 trên ta có.
→
VOL = VO = 31.6mV
b. NML và NMH
Biên độ nhiễu mức thấp :
NML = VIL - VOL
Biên độ nhiễu mức cao:
NMH = VOH - VIH
Đối với VIL : là nhỏ hơn 2 giá trị điện áp ở sườn của VTC trở thành -1 (dV out/dVin = -1).
Trong trường hợp này NMOS là trong vùng bão hòa còn PMOS trong vùng tuyến tính. Từ
IDn = IDp . Chúng ta có :

Với VGSn = Vin, VDSn = Vout, VGSp = -( VDD - Vin) and VDSp = -(VDD - Vout).
Thay vào phương trình ta có :

Chúng ta lấy vi phân cả 2 vế của phương trình
Thay thế Vin = VIL và dVout/dVin = -1 vào (7.3), chúng ta có:

Rút VIL như là một hàm theo Vout ta có thể biểu diễn như sau :

Với : kR = kn/kp
Gọi điện áp ngưỡng chuyển mạch của bộ đảo lý tưởng bây giờ là : Vth = VDD/2.
Do đó (7.6) có thể được biểu diễn lại như sau:

Thay kR=1.074 vào trong phương trình (7.5) ta có:
Bây giờ thay thế VIL vào trong phương trình (7.2) kết quả như sau:
kp
kn
(Vin − VTOn )2 =  2 Vin − VDD − VTOp ( Vout − VDD ) − (Vout − VDD )2 
2
2
1.074(0.96Vout − 1.18 − 0.43)2 = 2 ( 0.96Vout − 1.18 − 2.5 + 0.4 ) ( Vout − 2.5 ) − (Vout − 2.5)2

(

)

1.074(0.96Vout − 1.61)2 = ( Vout − 2.5 ) 2 ( 0.96Vout − 3.28 ) − (Vout − 2.5) 

2
1.074(0.9216Vout
− 3.0912Vout + 2.5921) = ( Vout − 2.5 ) ( 1.92Vout − 6.56 − Vout + 2.5 )

2
0.99Vout
− 3.32Vout + 2.78 = ( Vout − 2.5 ) ( 0.92Vout − 4.06 )
2
0.07Vout
+ 3.04Vout − 7.37 = 0

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


21

Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

=> Vout1 = -45.7309(V) và Vout2 = 2.3023(V)
Chọn Vout2 = 2.3023(V)


Đối với VIH : NMOS lúc này hoạt động trong vùng tuyến tính và PMOS trong vùng bão hòa.
k
kn
2
 2 ( VGSn − VTOn ) VDSn − VDSn
 = p (VGSp − VTOp )2
2
2

( 7.9)

Với : VGSn = Vin, VDSn = Vout, VGSp = -( VDD - Vin) và VDSp = -(VDD - Vout).

(7.9) có thể được viết lại như sau:
k
kn
2
 2 ( Vin − VTOn ) Vout − Vout
 = p (Vin − VDD − VTOp )2
2
2
Lấy vi phân cả 2 vế theo Vin ta có :

( 7.10)


 dV 
 dV  
k n (Vin − VTOn )  out ÷ + Vout − Vout  out ÷ = k p (Vin − VDD − VTOp )
 dVin 
 dVin  


Thay thế Vin = VIH và dVout/dVin = -1 vào (7.11), chúng ta có:

(

kn ( −VIH + VTOn + 2Vout ) = k p VIH − VDD − VTOp

)

(7.11)

( 7.12)

Rút VIH như là một hàm theo Vout ta có thể biểu diễn như sau :
VIH =
=

VDD + VTOp + kR ( 2Vout + VTOn )
1 + kR

=

2.5 − 0.4 + 1.074 ( 2Vout + 0.43 )
2.074

2.5 − 0.4 + 1.074 ( 2Vout + 0.43 )
1 + 1.074
= 1.235 + 1.036Vout

(7.13)

Thay thế (7.13) vào trong (7.10) ta sẽ có đa thức bậc 2 của Vout .
2
 = (1.235 + 1.036Vout − 2.5 + 0.4)2
1.074 2 ( 1.235 + 1.036Vout − 0.43 ) Vout − Vout

(

)

2

1.074 1.61Vout + 1.072Vout
= (1.036Vout − 0.865)2
2
0.08Vout
+ 3.52Vout − 0.75 = 0

=> Vout1= -44.212V and Vout2 = 0.212V
=> Chọn Vout = 0.212V
Với giá trị này chúng ta tính được VIH :
VIH = 1.235 + 1.036Vout = 1.235 + 1.036 * 0.212 = 1.455

(7.14)

Cuối cùng biên độ nhiễu là :
NML = VIL - VOL = 1.03 - 0.0316 =0.9984 V
NMH = VOH - VIH = 2.5 - 1.455 = 1.045 V
c. Tổn hao công suất
1. Với Vin mức thấp, NMOS ngưng dẫn, nên tiêu tán nguồn bằng 0W.
2. Với Vin mức cao, P = V*I = 2.5*IDP . Với VOL = VO = 31.6mA

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

22

IDP = 120µA
→
P = V*I = 2.5*IDP = 2.5*120 µA=300 µW

d. Điều khiển tải 1pF, tính toán tpLH , tpHL và tp . Trễ tăng và giảm bằng nhau không?
Tại sao?
Chúng ta không thể ước lượng trở kháng từ đường cong I-V cho sự chuyển đổi HL bởi vì
PMOS vẫn ON. Do đó, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp tính dòng trung bình cho việc ước
lượng trễ lan truyền. Dòng trung bình cho chuyển đổi HL thông qua PMOS là :
Với IVDD=2.5 = 0
IVDD=1.25 = -30(2)(-1)(-2.1+0.5)*(1 + 0.1(1.25)) = -108µA
→
Đối với NMOS,

Và

Dòng trung bình ngắt nạp tụ là

Đối với tpLH , NMOS là ngưng dẫn, vậy nên chúng ta sử dụng điện trở tương đương để tìm
thời gian chuyển đổi. Từ bảng điện trở kháng chúng ta tính toán

Vậy ta có:
Thời gian trễ tăng là dài hơn bởi vì PMOS tương đối rất yếu so với NMOS

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10


Bài tập môn học Công Nghệ Vi Điện Tử

Học viên: Nguyễn Văn Ngọc – Lớp cao học Kỹ Thuật Điện Tử K10

23