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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, mit der logische und dynamische Fehler erkannt werden sollen. Aber MOS-Gatter besitzen keine konstanten Verzögerungszeiten. Diese schwanken erheblich in Abhängigkeit von der eingangsseitigen Flankensteilheit f_e und der Belastung des Gatters (hier als auf die eigene Gatekapazität normierter Lastfaktor m).

Mead/Conway hatten 1980 in Ihrem Buch "Introduction to VLSI-Systems" einen Weg angedeutet, wie man die Dynamik hochintegrierter Schaltkreise besser kontrollieren kann ("Driving Large Capacitiv Loads", Seite 11 ff.). Diese Idee sollte für CMOS-Gatter untersucht werden.

In der Arbeit wurden mittels Netzwerksimulation Eigenschaften digitaler CMOS-Gatter aus dem Standardzellenkatalog U1500 (CSGT2, ZMD 1982) untersucht, mit der Zielstellung, dynamische Gattereigenschaften abstrahieren zu können, die eine genauere Wiedergabe der Dynamik bei der Logiksimulation ermöglichen können.

Siehe zur Einführung auch die Veröffentlichungen GMS 1989 und NTE 1990.

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

Gutachter:

Dr.Ing. Wolfgang Hecker (MME)

Berlin, den 18.2.1988
Urkunde vom 17.5.1988

	Inhaltsverzeichnis
	Symbol- und Abkürzungsverzeichnis	4
1.	Vorwort	8
2.	Statische Modellierung des CMOS-Inverters	10
2.1.	Zweigeteiltes Transistormodell	10
2.2.	Ungeteiltes Transistormodell	14
2.3.	Approximation der Verstärkungsfunktion	17
2.4.	Statisches Transferkennlinienfeld (STKF)	21
2.5.	Statisches Gattermodell	23
3.	Zeitfunktionen digitaler Flanken	31
3.1.	Flankenformen	31
3.2.	Taylorentwicklung	34
3.3.	Integralkonstanz	37
3.4.	Sinusförmige Meßflanke	40
3.5.	Potentiale und Spannungen	41
4.	Axiome der Gatterdynamik	42
4.1.	Identität des Signalhubes	42
4.2.	Bezugspotential	43
4.3.	Flankensteilheit und Flankendauer	44
4.4.	Spannungsverstärkung	47
4.5.	Verzögerungsvektor	48
4.6.	Nähe der Bezugspotentiale	50
4.7.	Autonome Flanken	51
4.8.	Flankenkonvergenz	54
4.9.	Addition von Verzögerungsvektoren	54
4.10.	Knotenkapazität und Knotenladung	56
4.11.	Flankenstrom	58
4.12.	Koppelkapazität	60
4.13.	Kapazitäten invertierender Gatter	61
5.	Kenngrößen invertierender CMOS- Gatter	65
5.1	Arbeitsbereiche des Gatters	65
5.2	Kenngrößen der Quasistatik	68
5.2.1	Inverterschwellspannung und -schwellstrom	68
5.2.2	Leerlaufverstärkung u. Ausgangswiderstand	70
5.2.3	Verzögerungszeit	71
5.3	Kenngrößen des Transitfalles	73
5.4	Kenngrößen der Sprungantwort	74
5.4.1	Schwellströme	74
5.4.2	Flankensteilheit	74
5.4.3	Flankenkonstante	77
5.4.4	Verzögerungszeit	78
5.4.5	Bestimmung der Millerkapazität	81
5.5	Zwischen Quasistatik und Sprungantwort	85
5.5.1	Verhältnis der Verzögerungszeiten	85
5.5.2	Länge der Übergangsbereiche	86
5.6.	Relativität der Last	88
6.	Dynamik invertierender CMOS-Gatter	91
6.1	Derzeitiger Erkenntnisstand	92
6.2	Untersuchungsmethodik	94
6.3	Simulationsbeispiel	95
6.4	Dynamisches Transferkennlinienfeld (DTKF)	97
6.5.	Normiertes DTKF (NDTKF)	99
6.6.	Länge des Übergangsbereiches	104
6.7.	Unsymmetrie der Flanken	106
6.8	Iterativ lösbares NDTKF	109
7.	Approximation der Gatterdynamik mit linearer Systemtheorie	111
7.1	Zeitverzögerung	111
7.2	Statische Überführungsfunktion	113
7.3	Faltungsmodell	113
7.4	Zeitkonstantenverhältnis	115
8.	Zusammenfassung und Ausblick	118
9.	Literaturverzeichnis	120
	ANLAGEN	145
1.	NIFAN-Simulationsmodelle und -Prozeduren	145
2.	Auswahl komplementärer Differenzen	150
3.	Sinusförmige Meßflanke (EDGE)	151
4.	Simulationsschaltung für NIFAN	152
5.	Vergleich von Gatterkenngrößen	153
6.	Gatterdaten SYNEG und NA6	154
7.	Berechnungsbeispiele	155
8.	Betriebsspannungsabh. von Uinv und v0	157
	Erklärung	158
	Kurzfassung russisch	159
	Korrekturblatt

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Dissertation komplett (7 MB)

Auszüge

Kurzfassung nte90
Statisches Transferkennlinienfeld (STKF)
Dynamisches Transferkennlinienfeld (DTKF)
Normiertes DTKF als NDTKF
Fortran-Transistormodell für NIFAN
Komplementäre Differenzen (Identitäten)
Verwendete Abkürzungen

Hinweis:

Flankensteilheiten f werden in der Arbeit normiert auf den Signalhub U_Hub (i.a. V_DD) eingeführt,

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

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: U_Hub = VDD = 5V)

Die Einführung der normierten Flankensteilheit ist die Voraussetzung, um DTKF und NDTKF einführen zu können und um im Rechenweg mit komplementären Differenzen arbeiten zu können.

Ergebnisse

Innovationen in dieser Arbeit sind:

• die Axiome der Gatterdynamik (Kap.4),
• das Statische Transferkennliniefeld (STKF, Kap.2.4),
• das Dynamische Transferkennlinienfeld (DTKF, Kap.6.4),
• das Normierte, Dynamische Transferkennlinienfeld (NDTKF, Kap.6.5)

und nicht zuletzt das Grundgesetz der Gatterdynamik (Kap.5.5.2):

v_e + v_o·v_a = 0

Hierin ist v_o die Leerlaufverstärkung des Gatters, v_e der Übergangsbereich der Flankensteilheiten zwischen Sprungantwort und Quasistatik am Eingang und v_a der Übergangsbereich der Flankensteilheiten am Ausgang. Die Werte von v_e und v_a sind vorzeichenbehaftet und abhängig von der Flankenrichtung.

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