第8章动态及准静态电路

第八章动态及准静态MOS电路

内容提要动态电路的基本概念动态MOS倒相器动态MOS电路前面我们所分析的各种MOS电路都属于静态电路。其特点是：1：可在低频及直流下工作，逻辑结果可长期稳定地保持；2：电路形式与双极型电路类似；3：各种复杂电路可分解为以倒相器为基础的单元电路。

静态MOS电路的弱点是：1：不工作时，静态功耗不为零；2：对E/EMOS电路来说，由于是有比电路，集成度不高，速度较低；3：电路形式复杂。基于静态电路的这些缺点，立足于MOS管的栅电容电荷存贮效应，派生了MOS逻辑电路的一大分支，动态和准静态电路。其显著优点是：电路形式可以大大简化，有利于集成度及速度的提高§8-1栅电容的电荷存贮效应

MOS管的输入栅极具有两个重要的特点：a：具有较小的栅电容CGS，一般为零点几pfb：具有极高的输入阻抗RGS，一般大于1010。当外加一电平于栅极时，由于CGS很小，可以很快使VGS上升到外加电平；当外加电平撤除时，CGS通过极大的RGS放电，放电时间常数很长，~ms数量级，也就是说栅电容能够将电荷暂时存贮一段时间，这就是栅电容的电荷存贮效应。这就是动态MOS电路的基础。

如图所示：起始状态：VGS=0V0=1当t=t0时，K闭合当t=t1时，K断开VGS通过RGS放电。只要开关闭合一个很短的时间，由于栅电容的电荷存贮效应，就能使输入管较长时间的导通，从而使输出在较长时间内保持低电平输出。通常τ=RGSCGS~ms，而信号频率一般为μs至ns量级，因此可认为栅电容存贮的电荷是没有衰减。以电子开关代替图中的开关S，则构成了动态MOS倒相器。§8-2动态MOS倒相器根据输出低电平与的关系，动态MOS倒相器也分为有比电路与无比电路两类。一．动态有比MOS倒相器1：结构：在静态有比MOS倒相器的基础上，增加一个由cp控制的门控管，起电子开关的作用。

2：原理CP为时钟，可认为在CP间隔内，VCGS无变化。起始状态：Vi=0CP

=0VGS=0V0=1当t=t0时：Vi=1

由于CP

=0传输门截止，状态不变当t=t1时，Vi=1CP

=1传输门导通状态翻转VGS=1V0=0当t=t2时，Vi=1CP

=0T3

截止栅电容存贮效应：VGS=1V0=0维持当t=t3时：Vi=0CP=0

栅电容存贮效应：VGS=1V0=0维持当t=t4时：Vi=0CP=1T3导通状态翻转VGS=0V0=1

3：特点：a：由于V0=VOL时：TI，TL均导通，VOL的大小

βR由决定，故称动态有比MOS倒相器；b：输出具有延时功能。4：改进：当CP同时控制门控管及负载管的栅极时，构成低功耗型动态有比MOS倒相器起始：CP，Vi，VD，V0均为零t=t0Vi=0

CP

“0”→“1”T1截止，T2、T3导通

VD“0”→“1”V0“0”→“1”t=t1Vi=“0”→“1”CP=0T1导通，T3截止

VD=“1”→“0”V0=“1”t=t2Vi=“1”CP“0”→“1”T1，T2，T3均导通

VD=0V0=“0”t=t3Vi=“1”→“0”VCP=0VD=0V0=“0”t=t4Vi=0VCP=“0”→“1”VD=“0”→“1”V0“0”→“1”

由于只有CP=“1”时，倒相器才有负载电流流过，而CP时间很短，故功耗低。二．动态无比MOS倒相器1：结构：动态无比MOS倒相器是一种用两相具有相位差的时钟控制的电路。

2：原理：起始状态：

Vi=0，VCP1，VCP2，VD，V0均为零t=t0CP1=“0”→“1”Vi=0，CP2=0T1、T3

截止，T2导通，ID对C1充电

VD=“0”→“1”V0=0t=t1Vi=“0”，CP1=“0”，CP2=“0”→“1”T1、T2截止，T3导通，C1的电荷传输到

C2，当C1>>C2时，可认为无压降变化

VD=“1”，V0=“0”→“1”t=t2，Vi，CP1均“0”→“1”，CP2=0T1、T2导通，T3截止

C1通过T1部分放电，使VD下降

V0=“1”

倒相器中有导通电流流过t=t3Vi=“1”CP1=“0”→“1”CP2=0C1通过导通的T1放电，T3截止

VD=“0”，V0=“1”t=t4Vi=“1”CP1=“0”CP2=“0”→“1”T1、T3导通，T2截止，

C2通过T3、T1放电

VD=“0”，V0=“1”→“0”3：特点：a：输出低电平与βR无关（电容放电获得），故为无比电路，对集成度有利；b：具有延时功能；c：CP控制负载管栅极，而VCP>VDD，故速度较高，功耗较小。4：改进：低功耗动态无比MOS倒相器

CP1=“1”，预置“1”电平，同时对Vi采样；

CP1=“0”，赋予逻辑电平；

CP2=“1”，输出；只有CP1=“1”时，才有功耗§8-3动态MOS电路

与静态MOS倒相器一样，静态MOS电路加上一只门控管，则构成动态MOS电路。当门控管与负载管同由CP控制时，为有比动态MOS电路。当门控管与负载管分别由具有一定相位差的两相时钟控制时，是动态无比MOS电路，两者的逻辑关系是一致的。

一．动态MOS门电路1：与非门电路

（b）为动态无比电路；当V0=“1”→“0”，对应CP2→“1”，CP1=“0”TA、TB导通，TL截止故VOL与βR无关。（a）为动态有比电路；当V0=“1”→“0”，对应CP=“0”→“1”，TA、TB导通，TL导通故VOL与βR有关。2：或非门电路动态MOS触发器1：结构：在静态MOS触发器的两根反馈线上各加一只门控管，并以cp1

、cp2

控制，则构成动态MOS触发器。其中，一相时钟称转移时钟cp1

；另一相称延时转移时钟cp2

，cp3

称取样时钟。

2：原理：起始状态：D=1，Q=0，VA=“1”，

cp1、cp2、cp3=0，

VC1=“0”，VC2=“1”t=t0：cp1，cp2=0，D=1，cp3=“0”→“1”，

VC1=“0”→“1”，VA=“1”→“0”t=t1：cp1=“0”→“1”，cp2、cp3=0

VC1=1，VA=0，

VC2=“1”→“0”

Q=“0”→“1”t=t2：cp1，cp3=0，cp2=“0”→“1”VC2=“0”

VDD通过门控管对C1维持性充电

VC1=“1”t=t3：cp1，cp2，cp3=0，VA=“0”

Q=1

可接受下一个输入信号。

3：特点：不能长期稳定保存逻辑结果。三．动态MOS移位寄存器1：结构：

利用动态MOS倒相器的“倒相”，“延时”两种功能，将其串联起来使用，便实现了移位寄存器功能。

下面介绍一个六管动态MOS移位寄存器单元电路，由两个低功耗型动态无比MOS倒相器构成。Φ1，Φ2为双向非重叠时钟信号

2：原理：设起始状态：V1=0t11期间：

Φ1=1，Φ2=0，预充电期；

不管Vi状态如何，总有T11饱和导通，T21

截止，Φ1通过T11对预充电；t12期间，Φ1=0，Φ2=0，赋值期；

此时总有T11截止，状态由决定，当

Vi=1时，V2=0，即由Vi对V2赋值。t13期间，Φ1=0，Φ2=1，取样期；

V2保持，T31导通，V2传输到V3，相当

于第二个倒相器对前级逻辑状态取样；与

此同时，Φ2通过饱和导通的向预充电，进入第二个倒相器的预充电期。同理：T14期间为第二个倒相器的赋值期，T21为第二个倒相器的取样期。波形分析如图示。

可见，1、2各来一个脉冲后，输入端信号Vi向输出端V5位移一次。

若将Vi视为D端，V5视为Q端，则有：Qn+1=Dn，故具有动态D触发器功能。3：特点：1、不能长期稳定地保持信号输出；2、功耗低；3、无比电路适于集成化；4、比静态电路简单；四．动态电路的工作频率

动态MOS电路的共同特点是必须在动态条件下工作，即要求时钟脉冲不停的作用，当时钟停止或频率过低时，存贮在栅电容上的信号因放电消失，电路将失去原有的功能而失效。

因此，动态电路具有一个最低工作频率。以动态移位寄存器为例，要求：

V1=Vci1在赋值期间t12不变[Φ1后沿到Φ2前沿]

V3=VCB在赋值期间t14不变[Φ2后沿到Φ1前沿]

即t12≤Vci1上的电荷存贮时间τci1

t14≤Vci2上的电荷存贮时间τci2

欲正常工作，时钟脉冲最大周期应小于

TMAX=T11+T12+T13+T14T12+T14

设在放电时间常数内，电位视作不变：

一般脉冲的高电平期比低电平期短得多，按最坏情况处理（忽略脉冲宽度）：

对栅电容赋值时，实际上也存在一个栅电容的充放电时间，这个时间决定了时钟频率的上限。对“1”电平：

最低时钟频率主要由版图，工艺定，且与温度有关，一般为KHZ数量级，200～300HZ；最高时钟频率则主要由电路形式决定，取决于对节点电容充放电回路的等效阻抗，差别很大。

§8-4准静态MOS触发器动态电路利用栅电容存贮效应：优点：元件少，功耗低，速度高，易于集成化；缺点：对时钟频率有要求，不能长期保存信号。

静态电路恰恰具有能长期保存信号的优点，由此，利用静态电路的直流存贮性能和动态电路的栅电容存贮效应，发展了一种介于两者之间