07Mos4集成电路设计基础

1、3-2,传输门,开关,前面讲倒相器是,MOS,数字电路的基本单元，传输门,也是一种基本单元,一、单沟道,MOS,的传输门,MOSFET,处在大信号工作时，有导通和截止两种状,态，因此可作为电子开关,MOS,开关接在,A,B,两电路之间，用以控制其间的信,号传递，故称为传输门,V,G,V,A,或,V,B,V,TN,A,B,导通,V,G,V,A,或,V,B,V,TN,A,B,断开,模拟开关,A B,G,1,传输高电平：以,NMOS,为例,V,DS,I,DS,Vi,Vo,C,L,V,G,V,i,V,DD,C,L,上起始电压为,0,根据电流方向可确定输入端为漏，输出,端为源,电流,DS,电子,SD,T

2、,N,管是,源跟随器,状态,当,Vo,增加到,Vo,V,DD,V,TN,时,N,管截止,r,ON,故,Vo,比,Vi,小一个,V,TN,有,损失，这是缺点之一,缺点二：速度慢,r,ON,0 V,TN,V,DD,V,DS,Vi-Vo,开始,截,止,区,关,A,r,ON,TN,DD,N,V,V,k,2,1,G,D S,2,传输低电平,G,S D,V,DS,I,DS,Vi,Vo,C,L,V,G,V,DD,Vi,0,C,L,上的起始电压为,V,DD,根据电流方向判断,S,D,T,N,管是,漏负载级,源接地,V,GS,V,DD,恒栅压,r,ON,0 V,DD,V,TN,V,DD,V,DS,Vo-Vi,开

3、始,恒,流,区,最后,r,ON,TN,DD,N,V,V,k,2,1,开始时,V,GS,V,DS,V,DD,二,CMOS,传输门,单沟道,MOS,传输门存在两个缺点,CMOS,传输门则,可弥补这个不足,V,DD,V,SS,V,GP,V,GN,I/O O/I,V,GN,1 V,GP,0,则导通,V,GN,0 V,GP,1,则截止,CMOS,传输门由一对互补的,MOS,管并联而成,V,GN,和,V,GP,总是互补的，幅度与输入电压相等,双向传输,1,传输高电平,0,V,DD,Vi=V,DD,Vo,C,L,S D,D S,I,P,管：漏负载级,V,GSP,V,DD,N,管：源跟随器,V,GSN,V,D

4、SN,r,ON,r,N,r,P,T,N,截止,T,P,恒流,r,ON,0,V,TN,V,DD,V,TN,V,DD,Vi-Vo,在区虽,N,管截止，但,P,管,导通，、区两管均导,通，这就克服了单沟道的,两个缺点,2,传输低电平,N,管：漏负载级,P,管：源跟随器,3-3,开关逻辑门,利用开关阵列来实现逻辑功能,门的控制既可以外加控制信号源，也可以用输,入变量来提供,通道选择电路,二输入通道选择电路,S=0,F=A,S=1,F=B,A,B,S,S,S,BS,S,A,F,TG1,TG2,2,或门,A=1,TG,不通,Tp,通,F=1,A=0,TG,通,Tp,不通,F=B,Tp,只用来传输高电平，无

5、阈值损失,B,F=A+B,A,A,TG,Tp,3,与非门,或非门,或非门,B,A,F,A,B,A,B,A,B,B,A,0,AB,F,A,B,A,B,A,B,B,A,1,与非门,4,异或、异或非,异或,B,A,F,B,B,B,A,A,B,A,F,B,B,B,A,A,1,0,B,B,F,AB,B,B,F,AB,F,AB,AB,A,B,当,时,下通道选中,当,时,上通道选中,异或非,通用功能模块,传输门可构成通用逻辑模块，芯片面积小，功耗低,由前面分析可以看出电路结构完全相同，随着输入端,和控制端所选用的变量不同可实现不同的逻辑功能,二输入变量的通用功能模块,I,0,I,1,C,0,C,1,C,1,

6、F,B,A,A,A,B,B,B,A,A,A,B,B,B,A,A,A,B,B,A,A,A,B,AB,A,A,B,AB,A,A,B,F,C,C,I,I,0,1,1,0,1,0,1,0,当输入端和控制端都用作变量时，存在,时间问,题,如当控制端的变量先于输入端的变量变化,时，则在输入端会保持原来所输入的电平值,此时输入端的变量再变化则对输出没有影响,进而出现逻辑错误。所以通常输入端采用固定,的电平，控制端则用二变量来控制,下图中版图尺寸将增大，控制端由,2 4,输,入也为,4,通过改变输入端，可实现,2,变量的所有,16,种逻,辑功能,2,1,C,0,F,6,5,4,3,8,7,C,1,C,2,C,

7、3,A,B,A,B,0,1,2,3,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,C,C,C,C,F,AB,A,B,A,B,AB,B,A,AB,AB,A,B,AB,A,B,A,B,AB,3,4,静态,CMOS,电路,一,CMOS,门电路,1,与非门和或非门,B,A,F,A,B,A,B,V,DD,V,DD,B,A,F,与非门,P,并,N,串,或非门,P,串,N,并,以,N,管为准,

8、再加,1,级反相器则为与门和或门,要增加输入端只要相应增加,P,管和,N,管即可。但最多不超,过,4,个输入端，这是因为,MOS,管串联工作时，实际宽长比为,W,L,N,G G,n,n,n,S D S D,L L,衬底偏置效应的影响：上面管子的源极电位越来越高,使,V,T,W,K,有效,K/N,并联时要根据情况判定,电流同时流过,2,个管子,K,有效,2K,电流只流过,1,个管子,K,有效,K,2,门电路的传输特性（取决于输入的组合情况,以双输入与非门为例,把,A,B,二个输入端短接，电流会流过并联的,T1,T2,和,串联的,T3,和,T4,0,2,4,4,1,1,p,p,n,n,p,p,n,

9、n,p,n,DD,k,k,k,k,k,k,k,k,V,V,双,双,双,双,双,双,双,双,VDD,A,Vo,T1,T2,T3,T4,当把一个输入接,VDD,无效,只使用一个输入端时，电流,仅流过,T1, T3,和,T4,0,2,2,1,1,n,p,p,n,p,n,p,n,DD,k,k,k,k,k,k,V,V,单,单,单,单,单,单,单,单,VDD,A,Vo,T1,T2,T3,T4,讨论,门电路的传输特性和个因素有关,门电路的种类：是与非还是或非，即哪些并,联，哪些串联,输入端接法,NMLM,NMHM,V,V,V,VDD,V,单,双,对于与非门,噪容小于倒相器,V,单,V,双,VDD,Vo,Vi

10、,V,与非门,P,管并联，当输,入管并联增加时,V,向,VDD,方向移,动,VDD,Vo,Vi,VDD,VDD,VDD,VDD,Vo,Vi,或非门,N,管并联，相反,实际门电路都要加缓冲级，以提高搞干扰能力,同时增加扇出能力（驱动能力对称，驱动电流,方法：再加二级倒相器（与门和或门实为级,缺点：延迟时间,VDD,Vo,VSS,A,B,3,CMOS,与或非门,任何复合门和各种组合逻辑都可通过与非门和或非门,构成,与或非门可以由个与门和一个或非门构成,A,B,C,D,F,A,A,C,B,B,C,D,D,或与非门,与或非门,VDD,F,简化,4,三态反相器,A,S,S,VDD,VSS,F,A,F,S

11、,S,1,0,高阻态,5,三态缓冲电路,Tp1,Tp2,Tp0,Tn0,Tn1,Tn2,VDD,VDD,Vi,Vo,Tp3,Tn3,S,S,S=1,时，由,T,p0,和,T,n0,组,成的传输门通，把,T,p1,的漏和,T,n1,的漏连上,而,T,p2,和,T,n2,都截止,组成二级反相器的缓,冲电路,VDD,Vi,Vo,Tp1,Tp2,Tp0,Tn0,Tn1,Tn2,VDD,VDD,Vi,Vo,Tp3,Tn3,S,S,S=0,时，传输门断开,T,p2,和,T,n2,导通，将,T,p3,和,T,n3,的栅极分别接,V,DD,和地，呈高阻态,VDD,Vi,Vo,Tp1,Tp2,Tp0,Tn0,T

12、n1,Tn2,VDD,VDD,Vi,Vo,Tp3,Tn3,S,S,二,CMOS,触发器,1,基本,RS,触发器,由两个,CMOS,或非门接成,Q Q,R S,R S,Q Q,V,DD,2,D,锁存器,把一对互补的输入信号送入,RS,触发器，并由,CP,控制,就构成了,D,锁存器,D,CP,Q,Q,D,CP,Q,如用,CMOS,传输门和,CMOS,倒相器来构成,D,锁存器，则结,构简单，占用硅片面积小,G1,G2,TG2,Q,Q,TG1,1,TG1,通,TG2,断,数据,D,经,TG1,和,G1,的延迟,传送到,再经过,G2,至,Q,0,TG1,断,TG2,通,Q,端信息经,TG2,G1,G2,

13、的延迟再反馈回来，使,信息保持,Q,三,CMOS,电路的基本参数,1,静态参数,静态参数主要有,V,OH,V,OL,V,NML,V,NMH,静态电流,I,L,表示静态功耗,I,L,P,C,输入电流,I,IN,表述输入阻抗,I,IN,阻抗,驱动电流,I,OH,输出为高电平时的供电电流，又叫输,出供给电流,I,DP,T,P,给,C,L,充电,驱动电流,I,OL,输出为低电平时的吸入电流，又叫输,出吸收电流,I,DN,T,N,放电,求法,I,OH,取,V,O,0.9V,OH,时,I,DSP,这时,P,管处在非饱和区,I,OL,取,V,OL,0.5V,情况下的,I,DSN,N,管也处在非饱和区,用非饱和区的电流方程,反之，对,I,OH,I,OL,又要求，可推出,K,N,K,P,2,动态参数,主要有,t,r,t,f,传输延迟时间,t,PHL,t,PLH,最高频率等,值得一提的是,CMOS IC,不像,TTL,电路那样明显给出每个输出端的,扇出能力。因为,MOS,管是“压控”器件，低频下每个输,出端可驱动几十个输入端，但高频下带的负载不能过多,C,L,t,r,t,f,3-5 CMOS,门电路的设计,一、版图尺寸与实际尺寸的关系,由于漏源扩散时的横向扩散，使沟道长度变窄,G,n,n,S D,L,版图上长度为,L,M,实际为,L,M,2