503 - Μικροηλεκτρονική & VLSI (503)

Διατάξεις CMOS και τεχνολογία κατασκευής. Λογικές πύλες CMOS και
σχηματική αναπαράστασή τους (φυσικό σχέδιο, layout). Εκτίμηση
απόδοσης: διάδοση καθυστέρησης (propagation delay), περιθώρια
θορύβου (noise margins), απώλεια ισχύος (power dissipation).
Πυκνωτές, αντιστάτες και θέματα διασύνδεσης (signal wiring).
Σχεδιασμός συνδυαστικών (combinational π.χ., arithmetic) και
ακολουθιακών (sequential e.g., storage elements) MOS λογικών
κυκλωμάτων

Εξαρτήματα ηλεκτρονικού κυκλώματος

Τι είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα (ΟΚ)

Επιθεώρηση της κατασκευής ενός ΟΚ

Γνωριμία με το MOSFET & την τεχνολογία CMOS

Μοντέλα διακόπτη του τρανζίστορ MOS

πύλες NOT, NAND και NOR

Υλοποίηση των πυλών XOR & XNOR
Πύλες διάδοσης (TG)
Υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων με TG

Διαγράμματα γραμμής (Stick Diagrams)

Διαδικασία κατασκευής CMOS

Διαδικασία n-πηγαδιού

Φυσικό Σχέδιο Βασικών Πυλών CMOS

Καθυστερήσεις Καλωδίων Διασύνδεσης

Γενική Εποπτεία Φυσικού Σχεδιασμού

Υλικά που χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα VLSI
Τεχνολογίες κατασκευής VLSI
Γνωριμία με τις Διαδικασίες CMOS

Ανάλυση Καθυστέρησης

Ενέργεια αλλαγής κατάστασης

Φυσική Ημιαγωγού

Μοντέλα SPICE MOSFET

Φυσική MOS

nMOS

Τάση κατωφλίου

nMOS & pMOS

Εξισώσεις pMOS

Μοντέλο RC του τρανζίστορ MOS

Χωρητικότητες MOS S/D

Στατικές Χαρακτηριστικές Αντιστροφέα

Δυναμικές Χαρακτηριστικές Αντιστροφέα

Απώλεια Ισχύος

Στατικές Χαρακτηριστικές NAND/NOR

Δυναμικές Χαρακτηριστικές NAND/NOR

Σύνθετες Λογικές Πύλες

Κατανοµή της ύλης του µαθήµατος σε εβδοµάδες

1^η εβδοµάδα

• Μελέτη του προγράµµατος φυσικής σχεδίασης (layout) και εξοµοίωσης ολοκληρωµένων κυκλωµάτων MicroWind2 και εξοικείωση µε τις στοιχειώδεις λειτουργίες του όπως το compile για την αυτόµατη σχεδίαση απλών πυλών όπως οι NAND και NOR δύο εισόδων. (Αυτό το περιβάλλον σχεδίασης και εξοµοίωσης χρησιµοποιείται σε όλες εργαστηριακές ασκήσεις που ακολουθούν.)

2^η εβδοµάδα

• Μελέτη του INVERTER σε τεχνολογία CMOS 0,18µm και σχεδίασή του στoν Η/Υ.
• Μετά την επαλήθευση της λειτουργίας του γίνονται προσπάθειες να επιτευχθούν όσο το δυνατό µικρότεροι (και ίσοι µεταξύ τους) χρόνοι µετάδοσης και για τους δύο τύπους µετάβασης (tpLH = tpHL).

3^η εβδοµάδα

• Μελέτη, σχεδίαση και επαλήθευση της σωστής λειτουργίας για τις πύλες NAND, AND, NOR, OR δύο εισόδων.
• Αν κάποιοι φοιτητές δεν προλάβουν να ολοκληρώσουν την άσκηση θα πρέπει να το κάνουν στο σπίτι (το πρόγραµµα MicroWind2 (ή 3) είναι FreeWare και µπορούν να το πάρουν στο USB Stick  ή να το κατεβάσουν από το ∆ιαδίκτυο).

4^η εβδοµάδα

• Μελέτη στο χαρτί της σχεδίασης ενός πολυπλέκτη 2×1.

1. µε πύλες AND, OR και INVERTERS
2. µόνο µε πύλες NAND και INVERTERS

• Σύγκριση του συνολικού αριθµού των απαιτούµενων τρανζίστορς και υλοποίηση της οικονοµικότερης λύσης.
• Σχεδίαση ενός πολυπλέκτη 4×1 χρησιµοποιώντας τον προηγούµενο πολυπλέκτη 2×1.

5^η εβδοµάδα

• Υλοποίηση λογικών συναρτήσεων σε CMOS µε την µέθοδο της σύνθετης πύλης.
• Σχεδίαση πυλών NAND, AND, NOR και OR µε περισσότερες από δύο εισόδους.
• Εκτός των άλλων παραδειγµάτων, υλοποιείται µε αυτήν την µέθοδο και ένας πολυπλέκτης 2×1 και συγκρίνεται το αποτέλεσµα της σχεδίασης µε αυτά της προηγούµενης εργαστηριακής άσκησης.

6^η εβδοµάδα

• Μελέτη και σχεδίαση και υλοποίηση της πύλης XOR µε διάφορους τρόπους.
• Συγκρίσεις.

7^η εβδοµάδα

• Σχεδίαση ενός ηµιαθροιστή και ενός πλήρους αθροιστή.

8^η εβδοµάδα

• Μελέτη και σχεδίαση του µανδαλωτή τύπου RS (RS Latch) και του µανδαλωτή τύπου D (D Latch).

9^η εβδοµάδα

• Μελέτη και σχεδίαση του ακµοπυροδοτούµενου δισταθούς τύπου D (edge triggered D και του δισταθούς αφέντη-σκλάβου τύπου D (master-slave D Flip- Flop).

10^η εβδοµάδα

• Παρουσίαση της ιδιότητας της αναγέννησης του σήµατος (Regeneration property) συνδέοντας σε σειρά τρεις – τέσσερις INVERTERS.
• Υλοποίηση ταλαντωτή µε τρεις και µε πέντε INVERTERS και σύγκριση της συχνότητας λειτουργίας.
• Σχεδίαση και χρησιµοποίηση ενός ∆ιαιρέτη Συχνότητας.
• Μελέτη της Πύλης Μετάδοσης (transmission gate).

11^η εβδοµάδα

• Μελέτη και σχεδίαση ενός κυττάρου µνήµης (Ram Cell) και εξοµοίωση της λειτουργίας του στην εγγραφή και ανάγνωση δεδοµένων
• Κατασκευή ενός πολυπλέκτη 2×1 χρησιµοποιώντας πύλες µετάδοσης.

12^η εβδοµάδα

• Εξετάσεις.

Ώρες άσκησης: 1/εβδομάδα. Ώρες μελέτης: 15.

Χώρος άσκησης: Εργαστήριο 3 - Ψηφιακών Κυκλωμάτων.

Παρουσίες: Η παρουσία σας στο Εργαστήριο κατά τις ώρες πραγματοποίησης των ασκήσεων είναι υποχρεωτική. Μόνο για λόγους ανώτερης βίας μπορείτε να απουσιάσετε έως δύο (2) φορές. Όσες ασκήσεις δεν υλοποιήσετε κατά τη διάρκεια του εξαμήνου θα πρέπει να τις κάνετε την εβομάδα των αναπληρώσεων.

Μέθοδοι αξιολόγησης: εργαστηριακές εργασίες, τεχνικές αναφορές, ατομικές εργασίες εξάσκησης, προφορική εξέταση, τελική εξέταση.

Βιβλιογραφία

• Ν. Πετράκης & Η. Μαλαμάς, Εργαστηριακές Ασκήσεις του μαθήματος: «Μικροηλεκτρονική και VLSI» + Εγχειρίδιο περιβάλλοντος Microwind, Χανιά 2020.

Προτεινόμενα συγγράμματα

• Harris, Weste N., Σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS VLSI, Εκδόσεις: Παπασωτηρίου (2011).
• Sung - Mo (Steve) Kang, Ανάλυση και σχεδίαση ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS, Εκδόσεις: Τζιόλα (2007).
• Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic, Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα, Εκδόσεις: ΚΛΕΙΔΑΡΙΘΜΟΣ (2006).
• Neil H. E. Weste, Kamran Eshraghian, Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλωμάτων CMOS VLSI, Εκδόσεις: Παπασωτηρίου (1996).
• John P. Uyemura, Introduction to VLSI Circuits and Systems, Wiley (2002).
• John P. Uyemura, CMOS Logic Circuit Design, Springer (2001).
• John P. Uyemura, Chip Design for Submicron VLSI: CMOS Layout and Simulation, Thomson (2006).
• Etienne Sicard, Sonia Delmas Bendhia, Basic of CMOS Cell Design, McGraw-Hill (2007).