第5章、集成电路基本单元(1)

1、集成电路设计集成电路设计SPICE简介简介SPICE电路输入语句电路输入语句SPICE电路分析语句电路分析语句SPICE电路控制语句电路控制语句上一章上一章 集成电路模拟集成电路模拟3第五章第五章 集成电路基本单元集成电路基本单元123CMOS数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路双极型数字集成电路双极型数字集成电路4焊盘输入输出单元焊盘输入输出单元(I/O PAD)4双极型数字集成电路双极型数字集成电路TTL(transistor-transistor logic)TTL与非门与非门TTL反相器反相器ECL(emitter coupled logic)I2L(integrated

2、injection logic)5TTL基本单元电路基本单元电路与非门与非门(a)单管与非门单管与非门(b)(b)两管与非门两管与非门6TTL与非门工作原理与非门工作原理当输入端都为高电平时，当输入端都为高电平时，T1工作在反向工作在反向有源状态，有源状态，T2工作在饱和状态，电路导工作在饱和状态，电路导通，输出低电平通，输出低电平VOL： VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)当输入端有至少一端为低电平时，当输入端有至少一端为低电平时，T1工作在工作在深饱和状态，深饱和状态，T2工作在截止状态，电路工作在截止状态，电路截止，输出低电平截止，输出低电平VOH： VOH=

3、VCC-R2*IOH7电路特性电路特性电压传输特性电压传输特性：电路的输出电压与输入电压的：电路的输出电压与输入电压的关系关系负载能力负载能力：电路在正常工作条件下可以驱动多：电路在正常工作条件下可以驱动多少个同类门，常用扇出少个同类门，常用扇出No表示表示瞬态特性瞬态特性：输入电压在高低电平之间转换时输：输入电压在高低电平之间转换时输出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速度度电路功耗电路功耗：静态功耗和动态功耗：静态功耗和动态功耗8TTL基本单元电路基本单元电路与非门改进电路与非门改进电路四管与非门及逻辑符号四管与非门及逻辑符号三管与非门三管与非门9

4、TTL基本单元电路基本单元电路与非门与非门五管与非门及多射极晶体管等效电路五管与非门及多射极晶体管等效电路10TTL基本单元电路基本单元电路与非门与非门11TTL基本单元电路基本单元电路反相器反相器反相器又称非门反相器又称非门12TTL基本门逻辑扩展基本门逻辑扩展 缓冲器缓冲器/与门与门/或非门或非门/或门或门/异或门异或门/异或非门异或非门/与或非门与或非门/或或与非门与非门 OC门门 三态门三态门 施密特逻辑门施密特逻辑门 触发器触发器13CMOS数字集成电路数字集成电路CMOS反相器反相器CMOS传输门传输门CMOS存储器存储器14CMOS反相器反相器 NMOS和和PMOS的衬底分开的衬

5、底分开 NMOS的衬底接最低电位的衬底接最低电位地地 PMOS的衬底接最高电位的衬底接最高电位Vdd NMOS的源极接地，漏极接高电的源极接地，漏极接高电位位 PMOS的源极接的源极接Vdd，漏极接低，漏极接低电位电位 输入信号输入信号Vi加在两管加在两管g和和s之间，由于之间，由于NMOS的的s接地，接地， PMOS的的s接接 Vdd，所以，所以Vi对两管参考电位不同。对两管参考电位不同。 15CMOS反相器工作原理反相器工作原理Vin为低电平为低电平VOL（VOLVDD+Vtp）时，时， NMOS导通，导通，PMOS截止截止 Vo = VOL16CMOS反相器工作原理反相器工作原理PMOS

6、视为视为NMOS的负载，可以像作负载线一的负载，可以像作负载线一样，把样，把PMOS的特性作在的特性作在NMOS的特性曲线上的特性曲线上Vi Vtn 导通Vi Vdd - |Vtp| 截止Vi Vdd - |Vtp| 导通NMOS：PMOS：整个工作区分整个工作区分为五个区域为五个区域A B C D E17CMOS反相器转移特性反相器转移特性(1)CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流反相器的转移特性和稳态支路电流ABCDEVi0tnV2ddVddtpVVddVddVOVdsnI18CMOS反相器的转移特性反相器的转移特性(2) A区：区：0 Vi Vtn NMOS截止，截止，Idsn = 0

7、，PMOS导通，导通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0 B区：区： Vtn Vi Vdd NMOS饱和导通，等效为电流源；饱和导通，等效为电流源；PMOS等效为非线性电阻。等效为非线性电阻。在在Idsn的驱动下，的驱动下，Vdsn自自Vdd下降下降, |Vdsp|自自0V开始上升。开始上升。 C区：区： Vi Vdd NMOS导通，处于饱和区；导通，处于饱和区；PMOS也导通，也导通， 处于饱和区；均等效于一处于饱和区；均等效于一个电流源。个电流源。 D区：区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与与B区情况相反，区情况相反，PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源；导通，处于饱和

8、区，等效一个电流源；NMOS强导通，等效于非线性电阻强导通，等效于非线性电阻 E区：区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，截止，NMOS导通。导通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，与与A区相反区相反19CMOS反相器转移特性反相器转移特性(3) n/ p对转移特性的影响对转移特性的影响20CMOS反相器转移特性反相器转移特性(4)PMOS和和NMOS在在5个区域中的定性导电特性个区域中的定性导电特性ABCDEPMOSon+on+on+onoffNMOSoffonon+on+on+对于数字信号，对于数字信号，CMOS反相器静态时，工作在反相器静态时，工作在A区区

9、 或或E区区Vi = 0 (I = 0)Vo = Vdd( O = 1 )Vi = Vdd (I = 1)Vo = 0 ( O = 0 )状态转换时：状态转换时：(I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0) Is-s= 0 Pdc= 0Is-s 0Ptr 021CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性 研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的输入电容）的影响。输入电容）的影响。 脉冲信号参数定义脉冲信号参数定义上升时间上升时间tr Vo=10%VomaxVo=90%Vomax下降时间下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Voma

10、x 延迟时间延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax 22CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性(续续1)Vi从从0到到1 CL放电放电NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计算。算。23212onddtnLdVVVCdt1220.920.12ddtnddVVLddtnLfoVnddtnnddtnCVVCtdVVVVVCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性(续续2)饱和状态饱和状态假定假定VC(0 )=Vdd，恒流放电时间段，恒流放电时间段非饱和状态

11、非饱和状态212ondstndsdsLdVVVVVCdt0.12212ddddtnVoLfVVnddtnoodVCtVVVV 1920lnddtnLnddtnddVVCVVVtf = tf1 + tf224CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性(续续3)Vi从从1到到0，CL充电充电上拉管上拉管PMOS导通时先为饱和状态而后为导通时先为饱和状态而后为非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两段来计算。段来计算。Vo|Vtp|25212opddtpLdVVVCdt1220.120.12tpddVLtpddLroVpddtppddtpCVVCtdVVVVVCMOS反

12、相器的瞬态特性反相器的瞬态特性(续续4)饱和状态时饱和状态时假定假定VC(0 )=0, 恒流充电时间段有恒流充电时间段有非饱和状态时非饱和状态时212opddtpddoddoLdVVVVVVVCdt0.92212ddtpVoLrVpddtpddoddodVCtVVVVVV1920lnddtpLddpddtpVVCVVV12rrrttt26CMOS反相器的反相器的功耗功耗特性特性静态功耗静态功耗Ps：Ps=ID0*VDD动态功耗动态功耗Pd充放电功耗充放电功耗Pc：Pc=f*CL*VDD2瞬态功耗瞬态功耗Pt：Pt1/2*f*VDD*Itmax(tr+tf) f*CL 总功耗总功耗Pa=Ps+P

13、d=Ps+Pc+Pt27各种形式的反相器版图各种形式的反相器版图 （a）垂直走向）垂直走向MOS管结构；（管结构；（b）水平走向）水平走向MOS管结构；管结构；（c）金属线从管子中间穿过的水平走向）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构；管结构；（d）金属线从管子上下穿过的水平走向）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构；管结构；（e）有多晶硅线穿过的垂直走向）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构。管结构。2728 并联反相器版图并联反相器版图 （a）直接并联）直接并联 （b）共用漏区）共用漏区 （c）星状连接）星状连接 29传输门不仅是传输门不仅是MOS集成电路中的一种基本电集成电路

14、中的一种基本电路，而且还是一种基元，因为其它基本电路，如路，而且还是一种基元，因为其它基本电路，如反相器，实际上也是由传输门组成的。有单沟道反相器，实际上也是由传输门组成的。有单沟道MOS传输门（传输门（NMOS传输门和传输门和PMOS传输门）及传输门）及CMOS传输门。传输门。传输门传输门30NMOS传输门传输门NMOS传输门只含有一个传输门只含有一个MOS管，栅极管，栅极加控制电压加控制电压V ，衬底接地。，衬底接地。MOS管的漏管的漏极极D与源极与源极S分别接输入与输出。输出负分别接输入与输出。输出负载是一个电容载是一个电容CL，它是后级的输入电容，它是后级的输入电容。31NMOS传输门

15、传输门(续续) MOS管的结构是对称的。管的结构是对称的。 D和和S在结构上没有任何差别。在结构上没有任何差别。通常，规定输入端为通常，规定输入端为D，输出端为，输出端为S。因为。因为:这种电路是不加电源电压的；这种电路是不加电源电压的；电路正常工作所需的能量全由输入端提供。电路正常工作所需的能量全由输入端提供。 当当MOS管导通时，输入电压就对管导通时，输入电压就对CL充电，在充电，在CL上建立输上建立输出电压，其能量由输入端提供。或者出电压，其能量由输入端提供。或者CL对输入端放电，对输入端放电，把能量还给输入端。因而，把能量还给输入端。因而，输出电压总是小于或等于输入输出电压总是小于或等

16、于输入电压电压。所以，规定输入端为。所以，规定输入端为D，输出端为，输出端为S。 当当NMOS传输门用作开关以传输逻辑信号时，传输门用作开关以传输逻辑信号时，传输传输“0”逻逻辑将是理想的。传输辑将是理想的。传输“1”逻辑则不理想，因为电平是蜕化逻辑则不理想，因为电平是蜕化的：尽管输入的：尽管输入Vi = Vdd，输出却为，输出却为Vo = Vdd VTn。 传输门不仅仅是一只开关，而且还有记忆能力。传输门不仅仅是一只开关，而且还有记忆能力。32PMOS传输门传输门1）PMOS管的门限电压管的门限电压VTp是负的，只有当是负的，只有当Vgs VTp ，即负得足够时才会导通。，即负得足够时才会导

17、通。2) 在在PMOS电路中，通常是加负电源电压电路中，通常是加负电源电压 Vdd，而正端接地。而正端接地。3) 衬底接最高电位，即地。衬底接最高电位，即地。I = inputO = output = phase(control)33PMOS传输门传输门(续续)早期的早期的PMOS电路采用负电源，负逻辑，上述各点电路采用负电源，负逻辑，上述各点都正确。然而，都正确。然而，PMOS逻辑电路已经淘汰。目前，逻辑电路已经淘汰。目前，PMOS管仅用于管仅用于CMOS电路。它采用正电源，正逻电路。它采用正电源，正逻辑。于是，衬底接辑。于是，衬底接Vdd。PMOS传输门的工作原理同传输门的工作原理同NMO

18、S传输门完全一样传输门完全一样.PMOS传输门用作开关传输逻辑信号时传输门用作开关传输逻辑信号时传输传输“1”逻辑，逻辑， 将是理想的。将是理想的。传输传输“0”逻辑，逻辑， 不是理想的。因为电平是不是理想的。因为电平是蜕化的，蜕化的， 即即Vi=0， Vomin=Vtp. PMOS放电放不到底！放电放不到底！34CMOS传输门传输门将将NMOS传输门和传输门和PMOS传输门的优缺点加以传输门的优缺点加以互补，互补， 得到特性优良的得到特性优良的CMOS传输门传输门P-gateN-gate传输门逻辑符号传输门逻辑符号35CMOS传输门（续）传输门（续） =0， NMOS和和PMOS都不导通，都

19、不导通， VO(t)= VO(t-Tp)， 不传输信号不传输信号 =1， NMOS和和PMOS导通，导通， 有两条通路有两条通路若若I=0， 则则NMOS通路更有效通路更有效 CL可以放电放可以放电放到到 0若若I=1， 则则PMOS通路更有效通路更有效 CL可以充电充可以充电充到到 1 这样，输出电平要么是这样，输出电平要么是0，要么是，要么是1(Vdd)，没，没有电平蜕化，可理想地实现信号传送。有电平蜕化，可理想地实现信号传送。36CMOS基本逻辑电路基本逻辑电路 与非门和或非门电路：与非门和或非门电路：（a）二输入与非门（）二输入与非门（b）二输入或非门）二输入或非门 37CMOS与非门

20、的版图与非门的版图 （a）按电路图转换）按电路图转换 （b）MOS管水平走向设计管水平走向设计 38或非门版图或非门版图 （a）输入向右引线）输入向右引线 （b）输入向上引线）输入向上引线 39CMOS存储器存储器 40存储单元的等效电路存储单元的等效电路 41焊盘输入输出单元焊盘输入输出单元输入单元输入单元:主要承担对内部电路的保护主要承担对内部电路的保护输出单元输出单元反相输出单元反相输出单元同相输出单元同相输出单元三态输出单元三态输出单元漏极开路输出单元漏极开路输出单元42焊盘输入单元焊盘输入单元 一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备

21、再驱动功能。因此，输入单元的结元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结构主要是输入保护电路。构主要是输入保护电路。为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供“泄泄放通路放通路”，这就是输入保护电路。输入保护分，这就是输入保护电路。输入保护分为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构。 43焊盘输入单元例焊盘输入单元例单二极管、电阻电路单二极管、电阻电路 双二极管、电阻保护电路双二极管、电阻保护电路 44焊盘输出单元焊盘输出单元 反相输出反相输出I/OPAD 反相输出就是内部信号经反相后输出。反相器反相输出就是内部信号经反相后输

22、出。反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提供一定的驱动能力。后图是一种供一定的驱动能力。后图是一种p阱硅栅阱硅栅CMOS结构的反相输出单元，由版图可见构造结构的反相输出单元，由版图可见构造反相器的反相器的NMOS管和管和PMOS管的尺寸比较大，管的尺寸比较大，因此具有较大的驱动能力。因此具有较大的驱动能力。45反相输出单元例反相输出单元例p阱硅栅阱硅栅CMOS反相输出反相输出I/OPAD 46反相输出单元反相输出单元(续续)大尺寸大尺寸NMOS管版图结构和剖面管版图结构和剖面47焊盘同相输出单元焊盘同相输出单元 同相输出同相输出I/OPAD 同相

23、输出实际上就是同相输出实际上就是“反相反相反相反相”，或采用类，或采用类似下图所示的偶数级的反相器链。考虑到驱动能力问似下图所示的偶数级的反相器链。考虑到驱动能力问题，利用链式结构可以大大地减小内部负荷。即内部题，利用链式结构可以大大地减小内部负荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动大的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才能获得大的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。较大的外部驱动。48三态输出三态输出I/OPAD 所谓三态输出是指单元除了可以输出所谓三态输出是指单元除了可以输出“0”，“1”逻逻辑外，还可高阻输出，即单元具有三种输出状态。同辑外，还可高阻输出，即单元具有三种输出状态。同样，三态输出的正常逻辑信号也可分