Podręcznik

Co z tego wynika dla projektanta? Jak dobrać wymiary tranzystorów w inwerterze? Co do długości kanału, w układach cyfrowych regułą jest stosowanie najmniejszej długości, na jaką pozwala proces technologiczny. Wynika to stąd, że im krótszy kanał, tym krótsze czasy propagacji sygnałów. Szerokości kanałów można dobierać ze względu na kilka kryteriów:

•     maksymalna szybkość działania,
•     minimalny pobór mocy,
•     minimalna powierzchnia.

Dla uzyskania maksymalnej szybkości działania, czyli możliwie krótkich czasów propagacji, trzeba przede wszystkim ustalić, jaki charakter ma pojemność obciążająca. Dwa skrajne przypadki to: (a) dominująca pojemność zewnętrzna $C_{zewn}\gg C_{wewn}$, i (b) dominująca pojemność wewnętrzna $C_{zewn}\ll C_{wewn}$. Jeśli dominuje pojemność zewnętrzna, której wartość nie zależy od wymiarów tranzystorów w inwerterze, to im większa szerokość kanałów tranzystorów, tym krótsze czasy propagacji (patrz wzory 2-7 i 2-8). Jeśli natomiast dominuje pojemność wewnętrzna, to poszerzanie kanałów nie jest celowe. Ze wzrostem szerokości kanałów tranzystorów proporcjonalnie rosną powierzchnie złącz drenów, czyli pojemności $C_{DB}$, a także powierzchnie bramek i zakładek bramek nad drenami, czyli w sumie pojemności $C_{DG}$. Ze wzrostem szerokości kanałów rośnie więc proporcjonalnie pojemność Cl, a czasy propagacji pozostają bez zmiany. Większe szerokości kanałów są w tej sytuacji wręcz szkodliwe, bo wzrasta niepotrzebnie prąd ładowania i rozładowywania pojemności, a więc pobór mocy. Zarówno w przypadku (a), jak i w przypadku (b), zachowywany jest zwykle stosunek  $W_p/W_n$ zapewniający symetryczną charakterystykę przejściową dla zapewnienia maksymalnej odporności na zakłócenia i jednakowych czasów propagacji $t_{p10}$ i $t_{p01}$. 

Minimalny pobór mocy układu uzyskuje się przy minimalnej sumie wszystkich pojemności obciążających bramki, zgodnie ze wzorem 2-10. Reguła jest więc prosta: wszystkie wymiary tranzystorów (bramek, ale także obszarów źródeł i drenów) powinny być jak najmniejsze. Możliwe są tu dwa przypadki. W pierwszym przypadku minimalną długość i szerokość kanału mają tranzystory nMOS, natomiast tranzystory pMOS mają kanały poszerzone dla zapewnienia maksymalnej odporności na zakłócenia. W drugim przypadku również tranzystory pMOS mają oba wymiary minimalne. Charakterystyki przejściowe nie są wówczas symetryczne. Napięcie przełączania jest mniejsze od ${0,5V}_{DD}$, a margines zakłóceń od strony zera logicznego ulega zmniejszeniu. W wielu przypadkach margines ten pozostaje jednak wystarczająco duży, zwłaszcza w przypadku układów zasilanych napięciem 5V.

Minimalną powierzchnię układu również uzyskamy zmniejszając do wartości minimalnych dopuszczalnych wymiary kanałów tranzystorów (a także obszarów źródeł i drenów). Jest to więc przypadek już omówiony. Warto jednak w tym miejscu dodać, że we współczesnych technologiach CMOS o powierzchni układu cyfrowego nie decydują wymiary tranzystorów, lecz kontaktów i ścieżek połączeń (porównaj topografię tranzystora zaprojektowanego w części II). Może się więc okazać, że zmniejszanie do minimum wymiarów tranzystorów nie jest celowe, ponieważ nie przynosi istotnego zmniejszenia powierzchni układu.