An Approach for Replacing CMOS Gates by Equivalent Inverters
Creators: name: Γαλάνη, Χριστίνα Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Ισοδύναμος αντιστροφέας
Ψηφιακές CMOS πύλες
Μοντέλα ψηφιακών πυλών
Equivalent inverter
Digital CMOS gates
Modeling digital gates

description: Η ανάλυση της λειτουργίας των πυλών CMOS αποτελεί μια περίπλοκη διαδικασία. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μία προσέγγιση μοντελοποίησης πυλών CMOS αντικαθιστώντας τες με ισοδύναμους αντιστροφείς. Η μέθοδος αυτή αποφεύγει την εκτέλεση μαθηματικής ανάλυσης και χρησιμοποιεί αντ΄αυτής, μεθόδους macromodeling και fitting όπου αυτό είναι απαραίτητο.Άλλες πύλες μπορούν να αντικατασταθούν από κελιά αντιστροφέων και ως εκ τούτου οι εκφράσεις για τους αντιστροφείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον καθορισμό των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των πυλών. Η γενική ιδέα είναι να αντικατασταθούν τα nMOS και pMOS τρανζίστορ μπλοκ της πύλης από ένα ισοδύναμο nMOS και ένα ισοδύναμο pMOS τρανζίστορ με κατάλληλα πλάτη ώστε να μοντελοποιούνται η επίδοση χρονισμού και η επίδοση ισχύος της πύλης. Η προσέγγιση που περιγράφεται εδώ χρησιμοποιεί μια διαδικασία fitting για την δημιουργία παραμετρικών εκφράσεων οι οποίες καθορίζουν τα πλάτη των τρανζἰστορ του ισοδύναμου αντιστροφέα. Σαν αποτέλεσμα, τα ισοδύναμα πλάτη των τρανζίστορ του αντιστροφέα εκφράζονται σαν συνάρτηση των παραμέτρων εισόδου: του πλάτους των nMOS τρανζίστορ της πύλης, της τάση τροφοδοσίας, του φορτίου εξόδου, την θερμοκρασία, τον χρόνο και είδος μετάβασης της εισόδου (ανιούσα ή κατιούσα). Οι εξαρτήσεις των παραμέτρων στις προαναφερθήσες εκφράσεις ενσωματώνονται χρησιμοποιώντας μια συστηματική μέθοδο. Το μοντέλο του ισοδύναμου αντιστροφέα αποτελεί τμήμα ενός άλλου μοντέλου, σχεδιασμένου για την εκτέλεση προ-χαρακτηρισμού ψηφιακών πυλών CMOS. Γι αυτόν τον λόγο σχεδιάστηκε σύμφωνα με τις οδηγίες μοντέλων τεχνολογίας όπως τα CCS, NLDM και NLPM. Ως προς την ανάλυση χρονισμού, η καθυστέρηση διάδοσης υπολογίζεται με πολύ καλή ακρίβεια. Επιπλέον, η κυματομορφή τάσης εξόδου, η κυματομορφή ρεύματος εξόδου και η κυματομορφή του ρεύματος των οδηγούντων τρανζίστορ της πύλης προβλέπονται με επιτυχία.
description: Analysis of the operation of CMOS gates is a complicated procedure. In this work, an approach for modeling CMOS gates by replacing them with equivalent inverters is presented. This method avoids performing mathematical analysis and uses macromodeling and fitting methods instead, where necessary. Other gates can be replaced by inverter cells and therefore the expressions for the inverters can be used to determine the electrical characteristics of the gates. The concept is to replace the nMOS and pMOS blocks of a gate with an equivalent nMOS and an equivalent pMOS transistor with appropriate widths in order to model the timing and power performance of the gate. The approach described here uses a fitting procedure to create parametric expressions which define the transistor widths of the equivalent inverter. As a result, the equivalent widths of the inverter’s transistors are expressed as a function of the input parameters: the width of the nMOS transistors of the gate, the supply voltage, the output load, the temperature, the input transition time and type (rising or falling). The parameter dependencies in the aforementioned expressions are incorporated using a systematic method. This equivalent inverter model constitutes a part of another model designed to perform pre-characterization of CMOS digital gates. For that reason it was designed under the instructions of technology models such us CCS, NLDM and NLPM. Concerning timing analysis, the propagation delay t_pd is calculated with very good accuracy. Furthermore, the output voltage waveforms, as well as the output current waveforms are predicted successfully, along with the current waveforms of the driving transistors of each gate.