NAND3 em CMOS: tabela verdade, esquemático e o layout em 3D pra girar
Resumo: primeiro post da aba CI. Isso aqui saiu do grupo de circuitos integrados que eu participo — tava estudando layout CMOS e fiz uma animação 3D da NAND3 pra conseguir ver onde a corrente passa quando eu mexo nas entradas. Tem a tabela verdade, o esquemático e o modelo pra girar no fim do post.
A tabela verdade
NAND3 é o AND de três entradas com a saída invertida: Y = NOT(A · B · C). Ou
seja, a saída só cai pra 0 quando as três entradas estão em 1.
| A | B | C | série nMOS | paralelo pMOS | Y |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | cortada | P1 P2 P3 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | cortada | P1 P2 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | cortada | P1 P3 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | cortada | P1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | cortada | P2 P3 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | cortada | P2 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | cortada | P3 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | conduz | nenhum | 0 |
As duas colunas do meio são o circuito, não a álgebra: série nMOS é o caminho
de Y até o GND, e paralelo pMOS lista quais transistores de cima estão
conduzindo em cada linha. Basta um pMOS ligado pra Y ficar em 1 — por isso
sete linhas em 1 e uma só em 0, de graça, sem ninguém ter projetado pra isso.
O esquemático
A estrutura é a de sempre em CMOS estático: a rede que puxa pra cima (pull-up, de pMOS) é o dual da que puxa pra baixo (pull-down, de nMOS).
- nMOS em série entre
YeGND. Um transistor em série só conduz se todos conduzirem. nMOS liga com 1 na porta, então o caminho pro GND só fecha comA = B = C = 1. É a única linha comY = 0. - pMOS em paralelo entre
VDDeY. Em paralelo basta um conduzir. pMOS liga com 0 na porta, então qualquer entrada em 0 já jogaYpra 1 — e são sete combinações com pelo menos um zero.
As duas redes nunca ficam ligadas ao mesmo tempo: ou tem caminho pro VDD, ou tem caminho pro GND, nunca os dois. É por isso que CMOS estático só gasta corrente na transição, e não parado.
Repare na ordem dos nomes: no esquemático a série de baixo pra cima é
N1 (A) → N2 (B) → N3 (C), e é essa ordem que aparece no layout — a entrada
que chega mais perto do GND é a mesma do transistor de baixo.
O layout
No layout real (CMOS VLSI Design, 4ª ed., Weste & Harris, capítulo de
circuitos e layout) a NAND3 vira uma célula de 32λ por 40λ com:
- tiras horizontais de difusão N e difusão P;
- portas de polisilício verticais, uma por entrada, atravessando as duas tiras;
- trilha de Metal 1 do
VDDem cima e trilha de Metal 1 doGNDembaixo; 4λde folga entre a difusão e a borda da célula.
Cada porta de poli cruzando as duas difusões é o que faz a mesma entrada controlar um pMOS em cima e um nMOS embaixo de uma vez só. É a parte que eu não conseguia visualizar no papel: no desenho 2D as camadas estão todas empilhadas no mesmo plano.
O modelo pra girar
Daí eu fiz isto. Clica em A, B e C pra mudar as entradas; as partículas
mostram por onde a corrente anda em cada combinação. O slider separa as camadas
na vertical, e os checkboxes ligam e desligam cada uma — inclusive Todos os
rótulos, que apaga os textos flutuantes quando você quer olhar só a geometria.
O que ficou mais claro girando: o poço N só existe na metade de cima, os três
pMOS dividem a mesma tira de difusão P dentro dele, e os contatos de Metal 1 são
o que amarra as duas metades. Com A = B = C = 1 dá pra ver o caminho único
descendo pela série de nMOS até o GND — qualquer entrada que você zerar quebra
essa série e acende o caminho do VDD.