Elettronica Analogica e Digitale (part...

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EE141 1 Elettronica Elettronica Analogica Analogica e e Digitale Digitale (p (p art 1) art 1)

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ElettronicaElettronica AnalogicaAnalogicae e DigitaleDigitale (p(part 1)art 1)

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Design Abstraction LevelsDesign Abstraction Levels

n+n+S

GD

+

DEVICE

CIRCUIT

GATE

MODULE

SYSTEM

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RETI COMBINATORIERETI COMBINATORIE

Algebra booleana: logica binaria (a due stati)

A è una variabile booleana: A=1 oppure A=0

Funzioni logiche elementari per l’algebra Booleana: AND, OR, NOT

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Logica positiva: livello di tensione + elevatocorrisponde all’1 logico;livello di tensione + bassocorrisponde allo 0 logico;

Logica negativa: livello di tensione + elevatocorrisponde allo 0 logico;livello di tensione + bassocorrisponde all’1 logico.

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHE

La porta NOT.

Out = NOT In1 = In1

In1 Out

01

10

OutIn1

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta AND.

In1

In2

Out

11 1 01 000 1 00 0

OutIn1 In2Out = In1 AND In2 = In1 • In2

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta OR.

11 1 11 010 1 00 0

OutIn1 In2Out = In1 OR In2 = In1 + In2

OutIn1

In2

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta NAND.

01 1 11 010 1 10 0

OutIn1 In2

In1

In2Out

Out = In1 NAND In2 = In1 • In2

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta NOR.

01 1 01 000 1 10 0

OutIn1 In2

OutIn1

In2

Out = In1 NOR In2 = In1 + In2

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta XOR.

01 1 11 010 1 00 0

OutIn1 In2

OutIn1

In2

Out=In1 XOR In2=In1·In2+ In1·In2=In1⊕In2

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PORTE LOGICHEPORTE LOGICHELa porta XNOR.

11 1 01 000 1 10 0

OutIn1 In2

OutIn1

In2

Out=In1 XNOR In2=In1·In2+ In1·In2=In1⊕In2

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PROPRIETAPROPRIETA’’ FONDAMENTALIFONDAMENTALI

A+0=AA+1=1A+A=AA+A=1

A • 0=0A • 1=AA • A=AA • A=0

A + A=1A • A=0

A=A

NOT AND OR

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LEGGI DI DE MORGANLEGGI DI DE MORGAN

⋅⋅⋅+++=⋅⋅⋅⋅⋅ CBACBA

⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅+++ CBACBA

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Inverter Voltage Transfer CharacteristicInverter Voltage Transfer Characteristic

V(x)

V(y)

V OH

V OL

VM

V OHV OL

fV(y)=V(x)

Switching Threshold

Nominal Voltage Levels

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Mapping logic levels to the voltage domainMapping logic levels to the voltage domain

V IL V IH V in

Slope = -1

Slope = -1

V OL

V OH

Vout

“ 0” VOL

VIL

VIH

VOH

UndefinedRegion

“ 1”

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Definition of Noise MarginsDefinition of Noise Margins

Noise margin high

Noise margin low

VIH

VIL

UndefinedRegion

"1"

"0"

VOH

VOL

NMH

NML

Gate Output Gate Input

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Regenerative PropertyRegenerative Property

A chain of inverters

v0 v1 v2 v3 v4 v5 v6

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EE14118

v0

v1

v3

finv(v)

f (v)

v3

out

v2 in

Non-RegenerativeRegenerativev2

v1

f (v)

finv(v)

v3

out

v0 inv

v v

vv0

v1

v3

finv(v)

f (v)

v3

out

v2 in

Non-Regenerativev0

v1

v3

finv(v)

f (v)

v3

out

v2 in

Non-RegenerativeRegenerativev2

v1

f (v)

finv(v)

v3

out

v0 in

Regenerativev2

v1

f (v)

finv(v)

v3

out

v0 inv

v v

v

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2

V (V

olt)

4

v0

v1v2

t (nsec)0

2 1

1

3

5

6 8 10-

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FanFan--in and Fanin and Fan--outout

N

Fan-out N Fan-in M

M

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The Ideal GateThe Ideal Gate

Ri = ∞Ro = 0Fanout = ∞NMH = NML = VDD/2g = ∞

V in

V out

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An OldAn Old--time Invertertime Inverter

NM H

V in (V)

V

o u t

( V )

NM L

V M

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

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Delay DefinitionsDelay Definitions

Vout

tf

tpHL tpLH

trt

Vin

t

90%

10%

50%

50%

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A FirstA First--Order RC NetworkOrder RC Network

vout

vin C

R

tp = ln (2) τ = 0.69 RC

Important model – matches delay of inverter

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Power DissipationPower Dissipation

Instantaneous power: p(t) = v(t)i(t) = Vsupplyi(t)

Peak power: Ppeak = Vsupplyipeak

Average power:

( )∫ ∫+ +

==Tt

tTt

t supplysupply

ave dttiT

Vdttp

TP )(1

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Energy and EnergyEnergy and Energy--DelayDelay

Power-Delay Product (PDP) =

E = Energy per operation = Pav × tp

Energy-Delay Product (EDP) =

quality metric of gate = E × tp

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A FirstA First--Order RC NetworkOrder RC Network

E0 1→ P t( )dt

0

T

∫ Vdd isupply t( )dt

0

T

∫ Vdd CLdVout0

Vdd

∫ CL Vdd• 2= = = =

Ecap Pcap t( )dt

0

T

∫ Vouticap t( )dt

0

T

∫ CLVoutdVout0

Vdd

∫12---C

LVdd• 2= = = =

vout

vin CL

R