1、2022/8/121第九章第九章 数字集成电路基本单元与版图数字集成电路基本单元与版图9.1 TTL基本电路 9.2 CMOS基本门电路及版图实现9.3 数字电路标准单元库设计 9.4 焊盘输入输出单元 9.5 了解CMOS存储器 2022/8/1229.1 TTL基本电路基本电路 图9.1 TTL反相器的基本电路 2022/8/123图9.3 具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路：（a）电路图，（b）符号2022/8/124图9.4 TTL或非门 (a)电路图 (b)符号 2022/8/1259.2 CMOS反相器反相器1.电路图电路图标准的CMOS反相器电路如图所示。注意1：n NMOS
2、和PMOS的衬底是分开的，n NMOS的衬底接最低电位地，n PMOS的衬底接最高电位Vdd。2022/8/126注意2：n NMOS的源极接地，漏极接高电位；n PMOS的源极接Vdd，漏极接低电位。注意3：输入信号Vi对两管来说，都是加在g和s之间，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接 Vdd，所以Vi对两管来说参考电位是不同的。2022/8/1272.转移特性转移特性 在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：l 在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补l 它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载：l 它们都是增强型 MOSFETl 对于NMOS有l 对于PMOS有l 对
3、输入和输出信号而言，PMOS和NMOS是并联的Vi Vtn 导通Vi Vdd-|Vtp|截止Vi 0，Pdc 0。2022/8/12213.CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性 研究瞬态特性与研究静态特性不同的地方在于必须考虑负载电容（下一级门的输入电容）的影响。脉冲电路上升，下降和延迟时间的定义，即如图所示。tr：(Vo=10%VomaxVo=90%Vomax)tf：(Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)td：(Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)2022/8/1222i)Vi从从1到到0,CL充电充电。在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为：Vds
4、n：0Vdd|Vdsp|：Vdd0，即 123原点CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1223 考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和状态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算。CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1224a、饱和状态时、饱和状态时 假定VC(0)=0,恒流充电时间段有 积分得 ，dtdVCVV21oL2tpddptpddVV1.02tpddpddtpLo2tpddpL1rVVV1.0VC2dVVVC2tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1225b、非饱和状态时非饱和状态时 线性充电时间段有，积分得，经变量代换，部分分式
5、展开，可得，总的充电时间为，tr=tr1+tr2 如果Vtp=-0.2 Vdd，则 dtdVCVV21VVVVoL2oddoddtpddpddtpV9.0V2oddoddtpddopL2rVV21VVVVdVCtddtpddtpddpL2rVV20V19lnVVCttpddpLrVV1C3tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1226ii)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和状态，故与上面类似，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计算。如图所示。CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1227a、饱和状态 假定VC(0)=V
6、dd，恒流放电时间段有，积分得，dtdVCVV21oL2tnddntnddddVVV9.02tnddntnddLo2tnddnL1fVVVV1.0C2dVVVC2tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1228b、非饱和状态、非饱和状态 线性放电时间段有，dtdVCV21VVVoL2dsdstndsnddtnddV1.0VV2ootnddonL2fV21VVVdVCtddtnddtnddnLVV20V19lnVVCCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1229总的放电时间为 tf=tf1+tf2 如果Vtn=0.2 Vdd，则 如果Vtn=|Vtp|，n=p，则
7、 tr=tf CMOS的输出波形将是对称的。tnddnLfVV1C3tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1230反相器电路图到符号电路版图的转换（a）电路图，（b）漏极连线，（c）电源与地线连线，（d）栅极与输入输出连线2022/8/1231图9.20 各种形式的反相器版图（a）垂直走向MOS管结构，（b）水平走向MOS管结构，（c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构，（d）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构（e）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构2022/8/1232 并联反相器版图（a）直接并联，（b）共用漏区，（c）星状连接 2022/8/1233C
8、MOS与非门和或非门 n 与非门和或非门电路：（a）二输入与非门，（b）二输入或非门 2022/8/1234与非门的版图 n（a）按电路图转换，（b）MOS管水平走向设计 2022/8/1235或非门版图（a）输入向右引线，（b）输入向上引线 2022/8/1236CMOS传输门和开关逻辑 工作原理工作原理 传输门：（a）电路（b）符号;开关逻辑与或门 2022/8/1237工作原理工作原理(续)（a）“异或”和（b）“异或非”门电路 2022/8/1238工作原理工作原理(续)不同功能的线或电路：（a）电路图，（b）逻辑图 2022/8/1239CMOS传输门版图实现 2022/8/1240
9、三态门：（a）常规逻辑门结构，（b）带传输门结构 三态门 2022/8/1241三态门版图 2022/8/1242驱动电路 n 驱动电路的结构示意图 2022/8/1243驱动电路版图 2022/8/12449.3 数字电路标准单元库设计 n 基本原理 n 标准单元设计流程图 2022/8/1245库单元设计 标准单元库中的单元电路是多样化的，通常包含上百种单元电路，每种单元的描述内容都包括：（1）逻辑功能；（2）电路结构与电学参数；（3）版图与对外连接端口的位置；对于标准单元设计EDA系统而言，标准单元库应包含以下三个方面的内容：（1）逻辑单元符号库与功能单元库；（2）拓扑单元库；（3）版图
10、单元库。2022/8/1246库单元设计(续)下图给出了一个简单反相器的逻辑符号、单元拓扑和单元版图（a）逻辑符号（b）单元拓扑（c）单元版图 2022/8/12479.4 焊盘输入输出单元 9.4.1 输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单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。为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供“泄放通路”，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。2022/8/1248输入单元(续)n 单二极管、电阻电路 双二极管、电阻保护电路 2022/8/12499.4.2 输出单元
11、A.反相输出I/OPAD 顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。这个反相器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。图9.37是一种p阱硅栅CMOS结构的反相输出单元，由版图可见构造反相器的NMOS管和PMOS管的尺寸比较大，因此具有较大的驱动能力。2022/8/1250输出单元(续)n p阱硅栅CMOS反相输出I/OPAD 2022/8/1251输出单元(续)n 去铝后的反相器版图 2022/8/1252输出单元(续)n 大尺寸NMOS管版图结构和剖面2022/8/1253输出单元(续)n 反相器链驱动结构n 假设反相器的输入电容等于Cg，则当它驱动一个输入电容为fCg
12、的反相器达到相同的电压值所需的时间为f。如果负载电容CL和Cg的CL/Cg=Y时，则直接用内部反相器驱动该负载电容所产生的总延迟时间为ttol=Y。n 如果采用反相器链的驱动结构，器件的尺寸逐级放大f倍，则每一级所需的时间都是f，N级反相器需要的总时间是Nf。由于每一级的驱动能力放大f倍，N级反相器的驱动能力就放大了f N倍，所以f NY。对此式两边取对数，得：n N=lnY/lnfn 反相器链的总延迟时间ttol=N*f*=(f/lnf)*lnY 2022/8/1254输出单元(续)n 直接驱动和反相器链驱动负载时的延迟时间曲线 2022/8/1255输出单元(续)B.同相输出I/OPAD
13、同相输出实际上就是“反相反相”，或采用类似于图9.40所示的偶数级的反相器链。为什么不直接从内部电路直接输出呢？主要是驱动能力问题。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较大的外部驱动。2022/8/1256输出单元(续)n C.三态输出三态输出I/OPADn 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”逻辑外，逻辑外，还可高阻输出，即单元具有三种输出状态。同样，三态还可高阻输出，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为反相输出和同相输出。图输出
14、的正常逻辑信号也可分为反相输出和同相输出。图9.42是一个同相三态输出的电路单元的结构图。是一个同相三态输出的电路单元的结构图。n 同相三态输出单元电路结构同相三态输出单元电路结构 2022/8/1257输出单元(续)n 同相三态输出单元版图 2022/8/1258输出单元(续)D.漏极开路输出单元n 漏极开路结构实现 的线逻辑NNiAAAAAAb2121 2022/8/12599.4.3 输入输出双向三态单元（I/O PAD）n 在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的电子系统中使用的集成电路常常要求这种I/OPAD。n 输入、输出双向
15、三态单元电路原理图 2022/8/12609.5 了解CMOS存储器 n 半导体存储器类型一览 2022/8/1261存储单元的等效电路 n(a)DRAM；(b)SRAM；(c)掩膜型(熔丝)ROM；(d)EPROM(EEPROM)；(e)FRAM2022/8/12629.5.1动态随机存储器（DRAM）n A.DRAM单元的历史演变过程单元的历史演变过程n(a)含两个存储节点的四晶体管含两个存储节点的四晶体管DRAM单元；单元；(b)含两条位线和两条含两条位线和两条字线的三晶体管字线的三晶体管DRAM单元；单元；(c)含两条位线和一条字线的双晶体含两条位线和一条字线的双晶体管管DRAM单元；
16、单元；(d)含一条位线和一条字线的单晶体管含一条位线和一条字线的单晶体管DRAM单元单元2022/8/1263三晶体管三晶体管DRAM单元的工作原理单元的工作原理 上拉和读写电路的三晶体管上拉和读写电路的三晶体管DRAM单元单元 2022/8/1264工作原理工作原理(续）续）n 对三晶体管DRAM单元进行四个连续操作：写入“l”，读取“1”，写入“0”和读取“0”时的典型电压波形 n 在预充电周期电流通过MPl和MP2开始对列电容C2和C3进行充电 2022/8/1265工作原理工作原理(续）续）n 在写“l”时序中电容Cl和C2的电荷共享 n 在读取“l”过程中列电容C3通过晶体管M2和M
17、3进行放电 2022/8/1266工作原理工作原理(续）续）n 在写0”时序过程中C1和C2通过M1和数据写入晶体管放电 n 在读取“0”过程中列电容C3不放电 2022/8/1267单晶体管单晶体管DRAM单元的工作过程单元的工作过程(a)带选取线路的典型单晶体管(1-T)DRAM单元；(b)带控制电路的单晶体管DRAM单元阵列的存储结构2022/8/12689.5.2 静态随机存储器（SRAM）n 静态RAM单元的各种结构。2022/8/1269CMOS SRAM单元的电路拓扑结构 2022/8/12709.5.3 闪存n 闪存单元由一个带浮栅的晶体管构成，该晶体管的阈值电压可通过在其栅极
18、上施加电场而被反复改变(编程)。n 闪存存储器的数据编程及擦除方法(a)热电子注入法(b)Fowler-Nordheim隧穿法 2022/8/1271闪存单元的等效耦合电容电路 n 当给控制栅极和漏极加电压(VCG和VD)时，浮栅的电压(VFG)可以用耦合电容表示为：n QFG为存储在浮栅中的电荷，Ctotal为总电容，CFC为浮栅和控制栅之间的电容，CFS，CFB和CFD是浮栅和源极、浮栅和本体、浮栅和漏极之间的电容，VCG和VD分别为控制栅和漏极的电压。FGFCFDFGCGDtotaltotaltotalQCCVVVCCCFDFBFSFCtotalCCCCC2022/8/1272闪存单元的
19、等效耦合电容电路（续）n 用VT(FG)代替式(9.26)中的VFG并整理可得到导通控制栅晶体管的最小控制栅极电压(VCG)如下：其中，VT(FG)为导通浮栅晶体管的阈值电压。同样，两种数据存储状态(“0”和“l”)的阈值电压差可表示为：DFCFDFCFGTFCtotalTVCCCQFGVCCCGV)()(FCFGTCQCGV)(2022/8/1273控制栅压具有低和高阈值电压的闪存单元的I-V特性曲线 2022/8/1274思考题1画出CMOS标准反相器的电路图和版图。2画出二输入CMOS与非门和或非门的电路图和版图。3负载为大尺寸器件时，如何考虑前级电路的驱动能力？4列出CMOS存储器的分类和各自的特点。
