Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11) Datum: vrijdag 6 november 2C 15 Tijd: 13: uur

Transcriptie

1 Vul op alle formulieren die je inlevert je naam en studienummer in. Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11) Datum: vrijdag 6 november 2C 15 Tijd: 13: uur Naam: U li U.;Ot&. (^fteyv Studienummer: Cijfer Lees dit eerst Schrijf je naam en studienummer in de vakjes hierboven en op de oneven bladzijden. Dit tentamen is "gesloten boek" met toelating van één handgeschreven A4-tje, eenzijdig, als "spiekbriejje ". Bovendien worden de overzichten van de binnenflappen van Rabaey beschikbaar gesteld. Het gebruik van een eenvoudige niet-programmeerbare rekenmachine is toegestaan. Voor de multiple-choice vragen geldt: omcirkel of vink hetjulste anp^voord. Vul je antivoorden in de daarvoor gereserveerde ruimten in. Eventueel kun je extra bladen gebruiken die je dan duidelijk van je naam en studienummer moet voorzien. Tenzij expliciet anders wordt vermeld, moet je steeds uitgaan van de 0.25 technologie uit het boek van Rabaey, met een voedingsspanning (VDD) van 2.5 Volt en bijbehorende parameters zoals gegeven op de binnenkant van de achterflap. Deze worden op een apart blad beschikbaar gesteld. Geef voor de antwoorden steeds een korte verklaring en geef, waar van toepassing, in grafieken de relevante waarden steeds duidelijk aan! Let steeds op de eenheden. Prefixes: kilo (k) = 10^ mega (M) = 10^ giga (G) = I0\milli (m) = 10'\ micro (p) = 10"^ nano (n) = W\pico (p) = \Q-'\femto () = IO"", atto {a) = 10"'' Dit tentamen bestaat uit 20 vraagonderdelen, max 4 punten per onderdeel, voor 80 punten totaal. Er zijn verder twee bonusvragen, die beiden ook voor 4 punten tellen. Het eindcijfer wordt als volgt berekend: min (10, l+9*(totaal aantal punten)80) Vraag 1. Gegeven is onderstaande doorsnede van een standaard 250 nm CMOS proces zoals gebruikt in het Rabaey boek. a. Geef voor ieder van de gebieden die aangegeven worden met een pijl het materiaaltype aan door kruisjes te zetten in onderstaande tabel. a b c d e f g h i n-type x: X P-type Si02 y X Poly-Si Al y X y 1 Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 1 van 8.

2 Naam: Studienummer: Verklaring: ^^(Je ^> ^A. ^QS ' ^-^^ V - = ' ^ \Jl b. Bereken de transconductantie k. Geef de correcte eenheid. Berekening: Vraag 4. a. De figuur hiernaast is de overdrachtslcaralcteristiek (VTC) van een invertor. Teken in de figuur de punten voor de volgende spanningen: Vout < ^ VOL, VOH, VIL, Vm, VM Wanneer je de plaats van deze spanningen bepaalt door middel van geschikte hulp-constructies (lijnen, grafieken) kan de waardering voor het antwoord hoger worden. 1 \ b. Wat wordt bedoeld met het begrip 'regenerative property' (regeneratieve eigenschap)'; Antwoorc Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 3 van 8.

3 b. Nieuwe, modernere, fabricageprocessen Icenmerken zich door kleinere horizontale afmetingen, bij veelal gelijkblijvende verdcale afmetingen. Het is alsof de figuur hierboven horizontaal geschaald (kleiner) wordt, maar niet verticaal. Uitzondering op deze regel is voornamelijk gebied b. Waarom wordt deze het liefst zo dun mogelijk gemaakt? ^. 9 D j, Reden: ciu.otn ^t Qctf^ox-i c. Waarom worden de overige gebieden zoals o.a. gebied ƒ liever niet zo dun mogelijk gemaakt, en min of meer op een constante dikte gehouden bij technologie-schalen? Vraag 2. Onderstaande uitspraken hebben betrekking op de belangrijke eigenschappen van een statische CMOS poort. Maak de zinnen af, met niet meer dan 3 woorden per zin in het bijbehorende vakje. 1. Poorten waarvan de correcte werking niet afhangt van de relatieve transistorafmetingen heten 2. De ingangsweerstand van een CMOS transistor is In een statische CMOS poort in rust (steady state) is er ahijd een verbinding tussen uitgang en Bij een hoge fanout zal het steady state gedrag niet veranderen, maar wel de CO Vraag 3. Beschouw een onbekende transistor, waarvan je de transconductantie k wilt bepalen. Je volgt daarvoor een methode waarbij je de vierkantswortel van de drainstroom lo '^ uitzet tegen de gate source spanning VGS- Het resultaat van de meting is te vinden in de grafiek hieronder. Hierbij is gegeven dat de drain-source spanning VDS = 0.1 V. Uit de grafiek is verder af te lezen dat de drempelspanning VT = 1 V. Er treedt bij de meting geen snelheidsverzadiging op, en je mag 1 = 0 stellen. a. In welk werkgebied is de transistor bij Vcs = 1.05 V en bij VGS = 1.2 V? Kies uit off lineair (= triode) en verzadiging (saturation). Verklaar. x10' O C) K ; : : : - : : : VGS (V) VGS = 1-05 V: off lineair K^adigin^ VGS = 1.2 V: off^ lineair) verzadiging Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 2 van 8.

4 Vraag 5. Teken hiernaast het transistorschema van een pull-down netwerk wat de formule r = (a'c' -I- b'c' -I- abc)' realiseert. Neem aan dat ook de inverse signalen a', b' en c' beschikbaar zijn. Een oplossing met 6 transistoren kan 4 punten opleveren, een oplossing met 7 transistoren kan maximaal 3 punten opleveren. Schema: Vraag 6. Een ringoscilator bestaat uit een oneven aantal rondgekoppelde inverterende elementen, meestal gewoon invertoren zoals in de figuur hiernaast Beschouw nu een situaüe met 3 verschillende ringoscilatoren. Neem aan dat alle NMOS transistoren van alle ringoscilatoren een lengte L hebben gelijk aan de minimumlengte van de technologie, en een breedte W = 5L. Alle PMOS transistoren hebben dezelfde lengte L maar in de drie ringoscilatoren zijn er verschillende breedtes: Ringoscilator A: Wp = 0.25 Wn, Ringoscilator B: Wp = 2.5 W, Ringoscilator C: Wp = 25 W,, a. Behalve het verschil in breedte van de PMOS, zijn de ringoscilatoren verder gelijk. Welke oscilator zal de hoogste osciladefrequentie vertonen? Leg uit, een antwoord zonder correcte uiüeg levert geen punten op. Kan niet bepaald Ringoscilator A Ringoscilator Ringoscilator C worden Verldaring: heil»! -^^O^olactS^ O^fn efl'-vvj^^. 9 Keejjf \0 y ^ryy^ojw^ b^eaie PfMoS ccc$?acvver1- oeej^^l^, fuqjl do^ oleystc^ 9^-^^.- L^^= ^p^'^^^^^^'^v-fss?! ^ 71 iran g ' Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft ËE2C11), , blz. 4 van».

5 Naam: Studienummer: Vraag 7. De tekening liiernaast toont een klok-distributie netwerk. Ieder segment (de lijnstukken tussen de knooppunten - er zijn dus 7 segmenten) is 1 mm lang en 1 jim breed, en is geïmplementeerd in polysilicium. Aan ieder uiteinde-knooppunt zoals R hangt een belastingcapaciteit van 200 ff. Deze uiteinde-knooppunten worden hieronder 'terminals' genoemd. a. Stel dat de totale capaciteit van alle segmenten inclusief de capaciteiten aan de 'terminals' uitkomt op 1 pf, bereken dan de WL verhouding van de pull-down transistor in de aansturende invertor zodanig dat de fall-time 1 ns bedraagt. Rond af op een geheel getal. Ga uit van de technologiegegevens van het boek met VDD = 2.5 V. Verwaarloos bij deze vraag de weerstand van de poly draden. (WL)N= 2 ^ Berekeninf -3o%->lo% b. Bepaal de weerstand en de capaciteit van een segment (afrondingen van 10% zijn toegestaan). (Opmerking: de som van alle capacheiten hoeft niet uit te komen op 1 pf uit het vorige vraagonderdeel.) C = Berekening: ^ (9 c. Neem nu aan (niet het correcte antwoord op de vorige vraag) dat ieder segment een weerstand heeft van 50 Q en een capaciteh van 100 ff en beschouw de Elmore delay formule voor de vertraging tussen S en R. Geef de weerstand- en capaciteitswaarden die horen bij een Elmore delay berekening van de vertraging in onderstaand schema aan. Je hoeft niet de Elmore delay te berekenen. Hou rekening met de capaciteiten van 200 ff aan de 'terminals' Geef in deze figuur de R en C waarden aan (eenheid!): 6ö5 R T^l*" Tfito^F T H ' ^ T}^1^ Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 5 van 8.

6 Vraag 8. De figuur hieronder toont een logic cell zoals die te vinden kan zijn in een FPGA. >out carry out elk a. Beschrijf hieronder de functie van de 3-LUT in bovenstaand schema. Funcde van 3-LUT: dv^cêcje v-rvp^'»tv VN^Cbce OCXy^ eev> b. In de figuur ontbreken de zogenaamde configuratiebits. Wat is de funcüe van deze configuratiebits, en hoeveel zijn het er voor deze schakeling? Geef in het schema hierboven met pijlen aan waar de configuratiebits zitten, en hoeveel het er op die plaats zijn. Functie, aantal: c. Geef hieronder een schema van een 2-LUT (dus met één ingang minder) Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 6 van 8.

7 Naam: Studienummer: Vraag 9. Gegeven een positieve D-latch en een positive edge triggered D-register. Teken liieronder de golfvormen aan de uitgangen van deze elementen voor liet gegeven D-signaal en klok signaal. Clock Positive D-latch out LTLTULJU JTJI Positive D rocjistcr out Vraag 10. a. Geef hiernaast een circuit schema van een multiplexer-based positive D-latch. Het schema mag alleen transistoren en invertoren bevatten. Schema oo^-. ne boet «^-p.c? CLK b. Een edge-triggered D-register kan opgebouwd worden uh twee D-latches. Teken hieronder de bedrading voor een positive edge triggered D-register die opgebouwd is mt twee poshive D-latches en een invertor. Geef de ingang JN, klok ingang KLOK en uitgang UIT duidelijk aan. Pos. Latch Pos. Latch A D Q D Q CLK Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 7 van 8.

8 Vraag 11. Gegeven een synchi-one schakeling met master-slave D-registers. Deze hebben de volgende parameters: Setup Time tsu: 65 ps Clk to Q delay tc,: 50 ps Hold time thoid: 30 ps Bepaal maximale logische propagatievertraging bij een klokperiode van 500 ps, in het geval zonder klok skew en in het geval van een klok skew 5 = 30 ps max tiogic bij 5 = 0: max tiogic bij 5 = 30 ps: Berekenin Vraag 12. (Bonus) Beschouw een adder en en een midtiplier, modulair opgebouwd in CMOS. Beiden bevatten hoofdzakelijk zogenaamde full-adder cellen. Een full-adder cell heeft 3 ingangen (A, B, Ci ) en 2 uhgangen (S, Cout). Bij voorkeur worden voor een multiplier andere fuu-adder cellen gebruikt dan voor een adder. Een belangrijke reden voor de voorkeur voor verschillende full-adders is gelegen in de vertraging van de S uitgang. Leg in je eigen woorden uh waarom een snelle S-uitgang in het ene geval belangrijker is dan in het andere geval. Antwoord: octnu^a (^oo[uc[ ^ o^^mw.^ ^ \M0tdkyx\ fea^ Uee. L)cw\ efiav oiwo(e^ ipoltiu'^ i^ocktol. Vraag 13. (Bonus) Hiernaast is een zogenaamde Schmitt triggerschakeling gegeven. Leg uit waarom V,,, "naar rechts en naar boven" verschuift in een VTC grafiek voor een 0-1 transitie op de ingang. IV 7 v^fl^ ^aa^h2 ao^ Tentamen Geïntegreerde Schakelingen (TU Delft EE2C11), , blz. 8 van 8.