课件半导体集成电路1

1、半导体集成电路学校：西安理工大学院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电时间：秋季学期2012/11/27MOS晶体管的小尺寸效应MOS晶体管的电容MOS晶体管的导通电阻2012/11/27基本要求非饱和区饱和区 CW (VV)V 1 V2 (0VIV-V)DSoxGSTHDSDSL2DSGSTHID12WCV)2I(V(0 VGS-VTH RMOS则VOUT 0=VOL2012/11/27VRMOSVOUTR RDDMOSL2.VIN=VHIGHVDD时电阻负载型反相器电压传输特性VOUTVDDRLVOUTVINRL增大VIN 随着RL的增大，输出低电平降低，逻辑阈值亦减小2012/11/

2、27反相器2012/11/27OUTPUT反相器中电阻的实现为了使反相器的传输特性好R负载在驱动管开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻足够小输出在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大输入驱动MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米的话占面积很大，因此通常INPUT用MOS管做负载VDD电阻输入输入NMOS驱动管GND 占用面积过大2012/11/271. E/EMOS反相器（介绍饱和MOS负载反相器）工作在饱和区n 负载管Lout n 驱动管DVds=VgsVgs-V

3、thV0INin导通1CW (V)2IL有比电路VIDSDDTHT2012/11/271W1D 为使V2OL接近0，要求gmLgmDOUL2V 1 gmL (VV)OL2 gDDTHLG2mDLVOH VDD VTHLE/EMOS反相器电压传输特性VOUTVDD-VTnoutinngmL/gmI减小VIN2012/11/272. E/DMOS反相器采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态n MD驱VIN0DDoutin2n饱和导通VMEVOLTDW )2IVV2K(V)LDSDDTDRDDTEW1 C2VTEVTE )VOUT 2 VOUTID() Vx ( L )I (VDD C(W

4、)SE有比电路noxELKR C(W )noxDL2012/11/27VOH VDDE/DMOS反相器电压传输特性VDDnoutinnKR减小2012/11/273. CMOS反相器由PMOS和NMOS所组成的互补型电路叫做CMOSVinVoutC：complementaryCMOS电路的特点：低功耗2012/11/27CMOS反相器工作原理当输入电压Vin为高电平时，PMOS截止，NMOS导通，Vout=0 VOL=0当输入电压Vin为低电平时，PMOS导通，NMOS截止，Vout=VDD VOH=VDDVVinout2012/11/27在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止

5、一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是 CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点之一是低功耗。CMOS反相器的传输特性(3)VDD-VGS=VDD-Vin(1)(5)(4)(2)N截止 P非饱和N饱和 P非饱和N非饱N非饱-VDS=VDD-VoutVout和和P饱和P截止VinVDS=VoutV=VGSin0VDDVinNMOSVinVtnVin-VtnVoutPMOS(VDD-Vin) VDD (VDD-Vin) +Vtp VDD截止饱和截止-Vout-Vout非饱和 饱和 非饱和 2012/11/27VoutCMOS

6、反相器的几个重要参数VoutdVout 1VOHdVinVout=VindVout 1dVinVOLVinVIHVILVM2012/11/27-VGS=VDD-Vin1. VIL的计算-VDS=VDD-VoutVoutVindVout1性区VIN=VILdVinN管工作在饱和区,P管工作VGS=VinV( VV )V22V ()V DDPDD(3)dVK N(Vtou 1dVin(1)(5)(4)(2)对Vin求导，得2VN (dVNP 2KDD|P VoutKV()dVin)N截止 P非饱和N饱和 P非饱和N非饱N非饱dV和和V)(V 1) V (V)(outP饱和P截止DDoutoutDD

7、outdVin,得dV1，且V =VKN令KR inILdVKdVP 1toudVin(2)0VDDVIHVVIL由（1）（2）式联立可求得VILin/2712012/1VoutinV 2 outVTP VDDR kTNVVIL1 kRP DDoutDDoutVN(1)-VGS=VDD-Vin2. VIH的计算-VDS=VDD-VoutVoutVindVout1VIN=VIHdVinN管工作性区,P管工作在饱和区V=VGSin) V K2VV NKNouto2(3)dVtouVDD( VV 1（1）PDDdVin(1)(5)(4)(2)对Vin求导，得dVdVoutV)V2 K(VN )(ou

8、tN截止 P非饱和N饱和 P非饱和N非饱N非饱NoutoutdVindVin和和K2PV(DDVP|)P饱和P截止dVout1，且V =V令,得inIHdVindVtou 1)V（2）dVin0VDDVIHVVIL由（1）（2）式联立可求得VIHin/2712012/1Vout2utPVDDVTP Rk(2oVutTNVIH1 kR3.逻辑阈值的计算-VGS=VDD-VinVDD-VDS=VDD-VoutVoutVinVMVGS=VinVINN管和P工作在饱和区2V 2KV (K (|)VNNPDDPKR令 V=V得Min/2712012/1V DDVTP VTNVM1KR逻辑阈值与晶体管尺寸

9、的关系1.81.70.25um晶体管 VDD=2.5v1.61.51.41.31.2PMOS大1.110.9NMOS大0.8011010W p /Wn2012/11/27V(V)MCMOS反相器的噪声容限outVV 2VVILHVOVHNMNMV1 kLILOLIHRVDDVVV)VIH1 kR考虑一个具有如下参数的CMOS反相器电路：例VDD6VTn, VTp0 . V7V3.3 V,0.,计算电路的噪声容限/2712012/1最小允许电压VIH最大允许电压VILVOHVOLVOHVOL噪声噪声2012/11/271高噪声容限VIHVOHVNMLVIL低噪声容限 VOL0Gate Input

10、Gate OutputVNML=VIL-VOL VNMH=VOH-VIH2012/11/27不定区VNMHVinVoutVDD有效高电平输出VOH输入高电平有效范围噪声NMH=VOH-VIH高噪声容限VIH过渡区VILNMH=VOH-VIH低噪声容限输入低电平有效范围噪声VOL有效低电平输出0噪声幅值VOLVIL噪声幅值VIHVOH噪声幅值噪声幅值VIL-VOLVOH-VIH2012/11/27低电平高电平2.能力2012/11/27VO(V)VO(V)VO(V)VOHVOHVOHVOLVOLVOLVILVILVILVIHVIHVIHVi(V)Vi(V)Vi(V)VOHVNMHVNMH=VOH

11、-VIHVNML=VIL-VOLVLVNMLVOLVILVIHVi(V)2012/11/27VO(V)解: 对于CMOS反相器来说,VOL=0V,VOH=3.3V VTp VDD KRVTn 2VoutVIL1 KR 0.7 3.3 1.5 0.57V 2Vout 0.71out1 2.5当VIN=VIL时,nMOS管工作在饱和区,pMOS管工作性区则V 有2 : ( V|V (V2V ) 2KV)V) VPDDPDDoutDDoutNN0.40 710 .V 7)(3V(3V.32) Vout (203.)100.5outoutout2012/11/27 0.05V 6.65 020.66V

12、outout0.05 0.052 4 0.66 6.65Vout 2 0.660.05 4.192 0.66 3.14V 3.17VVout1out 2 3.14VVoutV 0.57Vout 0.71 1.08V VIL2012/11/27 VTp KR (2Vout VTn ) VDDVIH1 KR 3.3 0.7 2.5(2Vout 0.6) 1.43V 1.17out1 2.5当VIN=VIH时,nMOS管工作性区,pMOS管工作在饱和区22()V则有V:2KVK (|) VNNoutoutPDDPV 2 .170)V (143231V.6403V .3.outoutoutout2012/11/271002(1.43V1.17 0.6)VV2 40(3.3 1.