EEM312 Sayısal Elektronik: Mantık Kapısı Tasarımı Raporları, Pass Transistör XOR ile CMOS NAND/NOR (2005–2017)

Bu yazı, Başkent Üniversitesi EEM312 Sayısal Elektronik yazılım laboratuvarının mantık kapısı tasarımı deneyi için yazılmış raporları bir araya getiriyor. Deney 2005–2006'da Y8, 2011 föylerinde Y6, 2014'te "Deney 10" adıyla yapılmış. Raporlar: 2005'ten iki (A, B), 2006'dan iki (C, D), 2011'den iki ön çalışma ve rapor (E, F), 2014'ten bir ön çalışma ve rapor (G); bunlar arkadaşların çalışmaları, kişisel bilgileri çıkarıldı. Ayrıca Hasan Can Öztürk'ün 2017'de hazırladığı XOR benzetimleri de ZIP'te (öğrenci numarası kapatıldı). Föyler EEM312 yazılım laboratuvarı föyleri Y4–Y8 yazısında (Y6 ve Y8 bölümleri). Raporların PDF'leri, temizlenmiş SPICE ağ listeleri ve 2017 ekran görüntüleri yazının sonundaki ZIP'te.

1. Pass transistör XOR kapısı

Föydeki XOR kapısı altı transistörlü: bir CMOS tersleyici A'nın tümleyenini (−A) üretiyor, B girişine bağlı bir tersleyici benzeri yapı ve B ile sürülen bir iletim kapısı da A ya da −A'yı çıkışa aktarıyor. Raporların ortak gözlemi: B girişinin değerine göre iletim kapısındaki transistörlerin (raporlara göre P2/N2 ya da M3/M6) source ve drain uçları yer değiştiriyor; Spice'ta gövde (bulk) source'a bağlı yazıldığı için her giriş birleşimi (A, B = 00, 01, 10, 11) için ayrı bir ağ listesi hazırlanmış. Örnek (E raporunda A = 0, B = 0 için; düğüm 2 = A, 3 = −A, 4 = B, 5 = çıkış, model satırları çıkarıldı):

*  D G S B
M1 3 2 0 0 MOSN W=1.8u L=1.2u
M2 3 4 5 5 MOSN W=1.8u L=1.2u
M3 5 3 4 4 MOSN W=1.8u L=1.2u
M4 3 2 1 1 MOSP W=3.6u L=1.2u
M5 2 4 5 5 MOSP W=3.6u L=1.2u
M6 4 2 5 5 MOSP W=3.6u L=1.2u
vdd 1 0 5V
v2 2 0 0v
v4 4 0 0v
.control
tran 0.05n 500n
plot v(2) v(4) v(5)
.endc
.end

G raporunun ön çalışması A = B = 0 durumunu adım adım açıklıyor: A düşük olduğu için tersleyicinin PMOS'u iletime geçip −A = 1 üretiyor; B düşük olduğundan B'ye bağlı PMOS iletimde, NMOS kesimde ve source'undaki A değeri (0) çıkışa aktarılıyor. 2014 raporu ise tek bir ağ listesinde iki darbe kaynağıyla (A: 100 ns, B: 200 ns yarı periyot) dört durumu art arda göstermiş.

Tüm benzetimler doğruluk tablosunu sağlıyor. E raporu, çıkış 0 olması gereken durumlarda grafikte görülen küçük değerlerin nanovolt mertebesinde olduğunu, üst üste binen dalgaları ayırmak için sinyallere 0.1 V eklendiğini not ediyor. A raporu XOR çıkışında yükselme gecikmesini 0.27 ns, düşme gecikmesini 0.268 ns bulmuş.

2–3. En az transistörlü NAND ve NOR

İstenen, en az sayıda transistörle CMOS NAND ve NOR kapısı: N girişli kapıda N NMOS ve N PMOS (2 girişte 4, 3 girişte 6 transistör). NAND'da NMOS'lar seri, PMOS'lar paralel; NOR'da tersi.

• 2005 (A, B): üç girişli NAND ve NOR (çıkışta 1 fF yük). NAND yalnız üç giriş de 1 iken 0, NOR yalnız üç giriş de 0 iken 1 veriyor.
• 2006 ve sonrası (C–G): iki girişli NAND ve NOR; doğruluk tablolarıyla benzetim sonuçları uyuşuyor. F'nin ön çalışması iki girişli NAND'ın iki pass transistör ve bir tersleyiciyle de kurulabileceğini, NOR için de alternatif bir yapı olduğunu gösteriyor.

4–5. Gecikme karşılaştırması

A raporu, XOR'un iki, diğerlerinin üç girişli olduğunu hatırlatıp asıl karşılaştırmanın NAND ile NOR arasında yapılması gerektiğini söylüyor; iki raporda da (A, D) NOR, NAND'dan yavaş. C, E ve F raporları ise "en kötü gecikmesi en küçük kapının NOR olduğu" sonucuna varmış. F raporu ayrıca diferansiyel yapıya yakın tasarımlarda çıkıştaki değişimin daha erken görüldüğünü yazıyor.

Not: NOR kapısında PMOS'lar seri bağlıdır ve PMOS'un taşıyıcı hareketliliği (modelde KP = 2.7E−5) NMOS'unkinden (8.0E−5) yaklaşık üç kat küçüktür; bu yüzden aynı boyutlarla NOR'un yükselme gecikmesi NAND'dan büyük çıkar. A ve D raporlarının sayısal sonuçları bununla uyumlu. A raporundaki "NOR'da transistörler paralel bağlandığından gecikme fazla" açıklaması ise eksik: gecikmeyi artıran, çıkışı yukarı çeken seri PMOS zinciridir. C, E ve F'deki "NOR en hızlı" sonucu da bu beklentiyle çelişiyor; raporlarda en kötü durum gecikmeleri sayısal olarak verilmemiş.

Not: A raporunun NOR doğruluk tablosunun sütun başlığında yanlışlıkla "NAND" yazıyor; tablo değerleri NOR'a ait ve doğru. F'nin ön çalışmasının başlığında da ders kodu "EEM332" diye yazılmış.

Klasördeki diğer dosyalar

Aynı deneye ait başka öğrencilerin ağ listesi klasörleri (her giriş birleşimi için ayrı dosyalar, üç girişli kapı denemeleri) ve iki rapor kopyası daha vardı: biri A raporunun başlıksız aynısı, diğeri C raporuyla neredeyse aynı metne sahip. Bunlar ayrıca alınmadı. ZIP'te E raporunun ağ listeleri (2011_…) ile 2017 çalışmasına ait XOR ağ listeleri ve WinSPICE ekran görüntüleri var.