第9讲+MOS管的数字设计

第9讲MOS管的数字设计模型功能模型分析CMOS数字功能时，可将MOS管理解为由栅极电压控制的开关。考虑数字电路的速度和功耗时必须考虑电容。米勒电容初始时刻，输入节点为0V，输出节点为VDD，电容上的电荷？电源提供的总电荷终止时刻，输入电压为VDD，输出电压为0,电容上的电荷为电荷变化量米勒电容问题将跨接在输入输出之间的电容C等效为两个分别接在输入回路和输出回路的电容，则等效电容为多少？输入端由于电荷变化量为2CVDD，输入电源相当于将容量为2C的电容从0V充电到VDD。输出端输出电源吸收的电荷与输入电源提供的电荷相等，为2CVDD，相当于一个容量为2C的电容从VDD放电到0V的电荷。MOS管的有效开关电阻假设栅极电压突然从0跳变到VDD，MOS管导通，产生ID。随着电容放电，VDS从VDD变为0.MOS管的平均导通电阻？本书中的MOS管数字模型以上过程，工作点从A到B到C。平均电阻平均电阻相当于BC直线斜率的倒数。此公式并不准确，但可用于手工估算。只考虑MOS管开关电阻的模型用于NMOS逻辑电路或其它“有比”电路的功能分析。MOS管各极之间的电容线性区：Cgd=Cgs=1/2Cox教材只考虑栅电容注意Cgd充放电时两端电压变化2VDD。为计算方便需将Cgd分散到GS和DS之间分散到GS和DS之后该电容上的电压变化为VDD，根据米勒电容关系，应将Cgd扩大一倍。教材使用的数字模型此模型可用于估算延迟，但对数字电路的尺寸设计没有帮助（设计时,W未定,无法计算)。《CMOS大规模集成电路》中的模型（1）正常设计（L取最小值，源漏区面积版图达到最小）时，CMOS数字电路中的MOS管栅电容与“扩区”（源区和漏区的统称）电容基本相等。（2）数字模型的作用主要是用来比较两个设计的优劣，只要能够正确比较两种设计方案即可，模型越简单越好。与工艺无关的设计模型定义单位晶体管（1）单位NMOS管可以任意定义，但一般定义为工艺允许的最小宽度管。（2）单位NMOS管的栅电容为C，导通电阻为R。单位PMOS管与单位NMOS管尺寸相同。假设相同尺寸的PMOS导通电阻为NMOS导通电阻的2倍。因此单位PMOS的电阻为2R，电容为C。一种简单有效的MOS管数字模型图中MOS管的宽度都为单位NMOS管的k倍。基于单位晶体管的数字模型的优点不仅可用于估算延迟，而且用于数字电路中的晶体管尺寸设计。使用这种模型可以评价电路设计的优劣，与具体使用的工艺无关。快速延迟估计一个逻辑门驱动相同逻辑门的个数称为扇出（FO)系数。数字设计中经常把一个反向器驱动4个反相器的延迟作为延迟的基数。延迟等效电路驱动门只考虑漏极电容，负载门只需考虑栅极电容。充电等效电路为什么连接VDD的2C和8C可以理解为接地？解释1：VDD不变，对于动态问题相当于接地。充电时间常数为15RC。电荷变化量等价解释2：以驱动门PMOS管的漏极电容2C为例，充电前，电容两端电压为0V和VDD，充电后两端电压都是变为VDD，电荷变化量为CVDD，与将接地的电容从0V充电到VDD等价。放电等效电路放电时间常数为15RC。保证PMOS管和NMOS管导通电阻相等可以使充放电时间相等，即上升延迟与下降延迟相等。思考题在将FO4问题中，如果将所有反相器中的晶体