电路知识基础

集成电路版图设计第二章电路知识基础引言如果给你一个电路图，或者你已设计了一个电路图，并准备去进行版图设计。那么接下来该怎么办？在这一章中，我们将学习电路图的基本构建模块，以及实现版图设计所需要准备的基础知识。首先介绍所有CMOS电路的基本构建模块—晶体管；然后说明什么是典型电路示意图，并以此为基础介绍更深的知识。IC制造材料IC制造材料分类材料电导率导体铝、金、钨、铜105s.cm-1半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟10-9~102s.cm-1绝缘体SiO2、SiON、Si3N410-22~10-14s.cm-1IC制造材料硅锗：由于硅锗中的原子被分得更开，位于硅锗上层的硅中的硅原子就此做出反应，努力伸展，以图与硅锗中的原子排列对齐。结果，硅被拉长了，硅片变薄了，阻抗也减小，从而使电子运动速度提高了７０％。用这种以“拉长硅”为基础制造的芯片的处理速度可以提高３５％，而且还降低了能耗。IC制造材料砷化镓：砷化镓中电子的有效质量是自由电子质量的1/15，只有硅电子的1/3。用砷化镓制成的晶体管的开关速度，比硅晶体管快1～4倍，用这样的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机。IC制造材料磷化铟：InP材料具有电子迁移率高、禁带宽度大、能带结构是直接跃迁和呈现负阻效应等硅、锗材料不具备的特性；同时,InP的高电场电子漂移速度比砷化镓高,适合制造高速高频器件电路结构互补形电路-CMOS非门的电路图ViVddVssVo电路结构双极型集成电路中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大。CMOS集成电路低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与TTL电路兼容。电流驱动能力低。电路结构双极-CMOS集成电路(BiCMOS)：由双极型门电路和互补金属-氧化物半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起，兼有高密度、低功耗和高速大驱动能力等特点。主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模／数混合电路，用于系统集成。晶体管对于PMOS晶体管来说，“基底”总是连接到逻辑“1”电平；而对NMOS晶体管来说，“基底”总是连接到逻辑“0”电平。因此，大多数电路图都不会给出基底连接晶体管PMOS晶体管和NMOS晶体管导通晶体管PMOS晶体管电阻模型和NMOS晶体管电阻模型晶体管标注器件尺寸的MOS晶体管符号晶体管PMOS晶体管的宽度是5µm,而NMOS晶体管的宽度是10µm。宽度的值通常放在前面。在图中，PMOS晶体管的长度是0.5µm,而NMOS晶体管的长度并没有给出，因而就可以认为其长度是工艺的默认值——0.25µm。当晶体管的宽度增加或者长度减小时，晶体管的电阻将会减小，而晶体管的电流驱动将会增加。晶体管关于器件尺寸的一些知识，请参考《数字集成电路——设计透视》（清华大学出版社）《数字集成电路——电路、系统与设计》（电子工业出版社）逻辑门反相器逻辑门反相器反相器的工作原理反相器的尺寸逻辑门两输入与非门(NAND)逻辑门两输入与非门(NAND)逻辑门两输入或非门(NOR)逻辑门CMOS逻辑门的构成：PMOS管：串——或；并——与NMOS管：串——与；并——或复杂逻辑门复杂逻辑门传输门由两个增强型MOS管（一个P沟道，一个N沟道）组成。C=0，！C=1时，两个管子都夹断，传输门截止，不能传输数据。C=1，！C=0时，传输门导通。双向传输门：数据可以从左边传输到右边，也可以从右边传输到左边，因此是一个双向传输门。传输门传输门通常PMOS晶体管连接成用来产生逻辑“1”电平，而NMOS晶体管用来产生逻辑“0”电平PMOS晶体管能够传输“0”电平，但是它们有些不情愿，从而削弱了“0”电平。对于NMOS晶体管传输“1”电平的情况也是如此。除非做特殊考虑，在加强的逻辑设计中，通常要避免这些弱电平存在的情况。通常情况是，控制信号控制传输门不是完全“导通”就是完