Heinz, G.: Ansätze zur analytischen Beschreibung der Dynamik digitaler CMOS-Gatter. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 18.2.1988, 159 S.

Ein wichtiger Verifikationsschritt beim Entwurf digitaler Schaltkreise ist die Logiksimulation. Aber MOS-Gatter besitzen keine konstanten Verzögerungszeiten. Diese schwanken erheblich in Abhängigkeit von der eingangsseitigen Flankensteilheit fe und der Belastung des Gatters (hier als auf die eigene Gatekapazität normierter Lastfaktor m).

In der Arbeit wurden mittels Netzwerksimulation Eigenschaften digitaler CMOS-Gatter aus dem Standardzellenkatalog U1500 (ZMD 1982) untersucht, mit der Zielstellung, eine genauere Modellierung der dynamischen Gattereigenschaften zu ermöglichen, die in Logiksimulatoren Verwendung finden kann.

Siehe zur Einführung auch die Kurzfassungen GMS 1989 und NTE 1990 der Arbeit.




Ansätze zur analytischen Beschreibung der Dynamik digitaler CMOS-Gatter


DISSERTATION


zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)

vorgelegt der

Mathematischen-Naturwissenschaftlichen Fakultät
des Wissenschaftlichen Rates
der Humboldt-Universität zu Berlin

von

Dipl.-Ing. Gerd Heinz


Dekan:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Werner Ebeling
(HU Berlin)

Gutachter:

  • Prof. Dr.sc. Holger Quaas (HU Berlin)
  • Dr.sc. E. Fügert (TU Karl-Marx-Stadt)
  • Dr.Ing. Wolfgang Hecker (MME)

    Berlin, den 18.2.1988



    Inhaltsverzeichnis

    Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 4
    1. Vorwort 8
    2.Statische Modellierung des CMOS-Inverters10
    2.1.Zweigeteiltes Transistormodell10
    2.2.Ungeteiltes Transistormodell14
    2.3.Approximation der Verstärkungsfunktion17
    2.4.Statisches Transferkennlinienfeld (STKF) 21
    2.5.Statisches Gattermodell23
    3.Zeitfunktionen digitaler Flanken31
    3.1.Flankenformen31
    3.2.Taylorentwicklung34
    3.3.Integralkonstanz37
    3.4.Sinusförmige Meßflanke40
    3.5.Potentiale und Spannungen41
    4. Axiome der Gatterdynamik 42
    4.1.Identität des Signalhubes42
    4.2.Bezugspotential43
    4.3.Flankensteilheit und Flankendauer44
    4.4.Spannungsverstärkung47
    4.5.Verzögerungsvektor48
    4.6.Nähe der Bezugspotentiale50
    4.7.Autonome Flanken51
    4.8.Flankenkonvergenz54
    4.9.Addition von Verzögerungsvektoren54
    4.10.Knotenkapazität und Knotenladung56
    4.11.Flankenstrom58
    4.12.Koppelkapazität60
    4.13.Kapazitäten invertierender Gatter61
    5.Kenngrößen invertierender CMOS- Gatter65
    5.1Arbeitsbereiche des Gatters65
    5.2Kenngrößen der Quasistatik68
    5.2.1Inverterschwellspannung und -schwellstrom68
    5.2.2Leerlaufverstärkung u. Ausgangswiderstand70
    5.2.3Verzögerungszeit71
    5.3Kenngrößen des Transitfalles73
    5.4Kenngrößen der Sprungantwort74
    5.4.1Schwellströme74
    5.4.2Flankensteilheit74
    5.4.3Flankenkonstante77
    5.4.4Verzögerungszeit78
    5.4.5Bestimmung der Millerkapazität81
    5.5Zwischen Quasistatik und Sprungantwort85
    5.5.1Verhältnis der Verzögerungszeiten85
    5.5.2Länge der Übergangsbereiche86
    5.6.Relativität der Last88
    6.Dynamik invertierender CMOS-Gatter 91
    6.1 Derzeitiger Erkenntnisstand92
    6.2Untersuchungsmethodik94
    6.3Simulationsbeispiel95
    6.4Dynamisches Transferkennlinienfeld (DTKF)97
    6.5.Normiertes DTKF (NDTKF)99
    6.6.Länge des Übergangsbereiches104
    6.7.Unsymmetrie der Flanken106
    6.8Iterativ lösbares NDTKF109
    7.Approximation der Gatterdynamik mit linearer Systemtheorie111
    7.1Zeitverzögerung111
    7.2Statische Überführungsfunktion113
    7.3Faltungsmodell113
    7.4Zeitkonstantenverhältnis115
    8.Zusammenfassung und Ausblick118
    9.Literaturverzeichnis120
    ANLAGEN145
    1.NIFAN-Simulationsmodelle und -Prozeduren145
    2.Auswahl komplementärer Differenzen150
    3.Sinusförmige Meßflanke (EDGE)151
    4.Simulationsschaltung für NIFAN152
    5.Vergleich von Gatterkenngrößen153
    6.Gatterdaten SYNEG und NA6154
    7.Berechnungsbeispiele155
    8.Betriebsspannungsabh. von Uinv und v0157
    Erklärung158
    Kurzfassung russisch159


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    Dissertation komplett (7 MB)

    In Kapiteln:
    Inhaltsverzeichnis
    Kapitel 1...3
    Kapitel 4...5
    Kapitel 6...8
    Literaturverzeichnis
    Anlagen

    Spezielle Auszüge

    Wie vermißt man Delays? (Kurzfassung)
    Statisches Transferkennlinienfeld (STKF)
    Dynamisches Transferkennlinienfeld (DTKF)
    Normiertes DTKF (NDTKF)
    Fortran-Transistormodell für NIFAN
    Komplementäre Differenzen (Identitäten)

    Hinweis:

    Flankensteilheiten f werden in der Arbeit normiert
    auf den Signalhub Uhub eingeführt,

    f = (du/dt) * (1/Uhub)

    Die so gewonnene, normierte Flankensteilheit
    hat die Maßeinheit einer Frequenz [1/sec = Hz].
    Sie wird wie diese mit dem Symbol f bezeichnet.

    Inverse der normierten Flankensteilheit ist die
    Flankendauer T = 1/f; siehe Kap.4, Seite 44 ff.

    (bei Technologie CSGT2S: Uhub = VDD = 5V)


    Ve + Vo Va = 0




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