1、第四章第四章 数字集成电路设计基础数字集成电路设计基础 n4.1 MOS开关及开关及CMOS传输门传输门n4.2 CMOS反相器反相器 n4.3 全互补全互补CMOS集成门电路集成门电路 n4.4 改进的改进的CMOS逻辑电路逻辑电路 n4.5 移位寄存器、移位寄存器、锁存器、锁存器、触发器、触发器、I/O单元单元 4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.1.1 单管MOS开关 1.NMOS单管开关单管开关 NMOS单管开关电路如图所示，单管开关电路如图所示，CL为负载电容，为负载电容，UG为为栅电压，栅电压，设设“1”表示表示UG=UDD，“0”表示表示UG=0(接地接地)。NMOS单管开关
2、(a)电路；(b)等效开关；(c)传输特性UiUoCLUG(a)UiUo00(理 想 0)11(非 理 想 1)(b)110UG(c)011Uo/(UG UTH)UG UTHUi/(UG UTH)(1)当当UG=“0”(接地接地)时，时，NMOS管截止管截止(开关断开开关断开)，输出输出Uo=0。(2)当当UG=“1”(UDD)时，时，NMOS管导通管导通(开关合上开关合上)，此时此时视视Ui的大小分两种情况：的大小分两种情况：UiUG-UTH(UTH为为NMOS管阈值电压管阈值电压)，输入端呈开启状态，输入端呈开启状态，设设Uo初始值为零，初始值为零，则则Ui刚加上时，刚加上时，输出端输出端
3、也呈开启状态，也呈开启状态，NMOS管导通，管导通，沟道电流对负载电容充电，沟道电流对负载电容充电，直至直至Uo=Ui。UiUoCLUG(a)UiUo00(理 想 0)11(非 理 想 1)(b)110UG(c)011Uo/(UG UTH)UG UTHUi/(UG UTH)(2)当当UG=“1”(UDD)时，时，NMOS管导通管导通(开关合上开关合上)，此时此时视视Ui的大小分两种情况：的大小分两种情况：UiUG-UTH，输入端沟道被夹断，输入端沟道被夹断，此时若此时若Uo初始值小于初始值小于(UG-UTH)，则输出端沟道存在，则输出端沟道存在，NMOS管导通，管导通，沟道电流对沟道电流对CL
4、充电，充电，Uo上升。上升。但随着但随着Uo上升，上升，沟道电流逐渐减小，沟道电流逐渐减小，当当Uo升至升至(UG-UTH)时，时，输出端输出端沟道也被夹断，沟道也被夹断，导致导致NMOS管截止，管截止，从而使输出电压从而使输出电压Uo维持在维持在(UG-UTH)不变。不变。若此时若此时Ui=UG=UDD，则输出电压则输出电压Uo=UG-UTH=Ui-UTH=UDD-UTHUiUoCLUG(a)UiUo00(理 想 0)11(非 理 想 1)(b)110UG(c)011Uo/(UG UTH)UG UTHUi/(UG UTH)(2)当当UG=“1”(UDD)时，时，NMOS管导通管导通(开关合上
5、开关合上)，此时此时视视Ui的大小分两种情况：的大小分两种情况：UiUG-UTH，输入端沟道被夹断，输入端沟道被夹断，此时若此时若Uo初始值小于初始值小于(UG-UTH)，则输出端沟道存在，则输出端沟道存在，NMOS管导通，管导通，沟道电流对沟道电流对CL充电，充电，Uo上升。上升。但随着但随着Uo上升，上升，沟道电流逐渐减小，沟道电流逐渐减小，当当Uo升至升至(UG-UTH)时，时，输出端输出端沟道也被夹断，沟道也被夹断，导致导致NMOS管截止，管截止，从而使输出电压从而使输出电压Uo维持在维持在(UG-UTH)不变。不变。若此时若此时Ui=UG=UDD，则输出电压则输出电压Uo=UG-UT
6、H=Ui-UTH=UDD-UTH综上所述：对于综上所述：对于NMOS晶体管开关晶体管开关UiUG-UTH时，时，Uo=UG-UTH信号传输有损失，称为阈值损失，信号传输有损失，称为阈值损失，对于高电平对于高电平1，NMOS开关输出端损失一个开关输出端损失一个UTH；2.PMOS单管开关 PMOS单管开关电路如图所示，单管开关电路如图所示，其衬底接其衬底接UDD。(1)当当UG=“”(接接UDD，高电平高电平)时，时，PMOS管截止，管截止，开关断开，开关断开，Uo=0。(2)当当UG=“0”(接地，接地，低电平低电平)时，时，PMOS管导通，管导通，视视Ui的大小不同，的大小不同，也分两种情况
7、：也分两种情况：Ui=“1”(UDD)时，时，输入端沟道开启导通，输入端沟道开启导通，电流给电流给CL充电，充电，Uo上上升，升，输出端沟道也开启，输出端沟道也开启，开关整个接通，开关整个接通，有有Uo=Ui=“1”PMOS单管开关(a)电路；(b)等效开关UiUoUG(a)Ui0011(b)UDDUG“1”00Uo0(非理想0)(理想1)实际比零高|UTHP|(2)当当UG=“0”(接地，接地，低电平低电平)时，时，PMOS管导通，管导通，视视Ui的大小不同，的大小不同，也分两种情况：也分两种情况：Ui=“1”(UDD)时，时，输入端沟道开启导通，输入端沟道开启导通，电流给电流给CL充电，充
8、电，Uo上上升，升，输出端沟道也开启，输出端沟道也开启，开关整个接通，开关整个接通，有有Uo=Ui=“1”Ui=“0”(低电平低电平)时，时，输入端沟道被夹断，输入端沟道被夹断，此时要维持沟道导通，此时要维持沟道导通，则输出端沟道开启，则输出端沟道开启，输出电压输出电压Uo必须比必须比UG高一个高一个PMOS管的阈值电管的阈值电压压|UTHP|。因此，因此，当传输输入为当传输输入为0的信号时，的信号时，输出同样存在所谓的输出同样存在所谓的“阈值损失阈值损失”，如图如图(b)所示，所示，即即 Uo=|UTHP|PMOS单管开关(a)电路；(b)等效开关UiUoUG(a)Ui0011(b)UDDU
9、G“1”00Uo0(非理想0)(理想1)实际比零高|UTHP|MOS开关电压传输范围nNMOS开关电压传输范围：GSDUTNUGS1nPMOS开关电压传输范围：GSD|UGS|=0|UTP|结论：NMOS管是传输低电平(0)的理想开关，传输高电平(1)有阈值电压损失；PMOS管是传输高电平(1)的理想开关，传输低电平(0)有阈值电压损失。阈值损失波形示意图 UGUiNMOSUoPMOSUoUDDUDD00UDDUDDUDD(UDD UTH)(UDD UTH)|UTHP|04.1.2 CMOS传输门 根据根据NMOS和和PMOS单管开关的特性，单管开关的特性，将其组合将其组合在一起形成一个互补的
10、在一起形成一个互补的CMOS传输门，传输门，这是一个没有这是一个没有阈值损失的理想开关。阈值损失的理想开关。1.CMOS传输门电路传输门电路 CMOS传输门电路如图所示传输门电路如图所示 NMOS管和管和PMOS管的源极、管的源极、漏极接在一起，漏极接在一起，NMOS衬底接地，衬底接地，PMOS衬底接衬底接UDD(保证了沟道与衬底之间保证了沟道与衬底之间有反偏的有反偏的PN结隔离结隔离)，二者的栅极控制电压反相，二者的栅极控制电压反相，即即UGP=。GNU 传输门电路及栅极控制电压波形 UiUoUGPUGNUDDUGNUGPCL2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 CMOS传输
11、门的直流传输特性传输门的直流传输特性如图所示如图所示 12345012345UoN管通双管导通P管通UiUGN5 VUGP0 VUTHN|UTHP|0.9 V不存在阈值损失问题：不存在阈值损失问题：(1)当当UGN=“0”，UGP=“1”时，时，N管、管、P管均截止，管均截止，Uo=0。(2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的的过程分为以下三个阶段过程分为以下三个阶段(设设“1”为为UDD=5U，“0”为接地，为接地，UTHN=|UTHP|=0.9 U):UiUoUGPUGNUDDUGNUGPCL2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 C
12、MOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性如图所示如图所示 12345012345UoN管通双管导通P管通UiUGN5 VUGP0 VUTHN|UTHP|0.9 V (2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的过的过程程UiUoUGPUGNUDDUGNUGPCL Ui较小，较小，有有 UGN-UiUTHN N管导通|UGP-Ui|UTHN N管导通|UGP-Ui|UTHP P管导通 双管导通区 此时，N管、P管共同向CL充电，仍使Uo=Ui。2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性如图所示如
13、图所示 12345012345UoN管通双管导通P管通UiUGN5 VUGP0 VUTHN|UTHP|0.9 V (2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的过的过程程UiUoUGPUGNUDDUGNUGPCL Ui再升高，接近“1”时，有UGN-UiUTHP P管导通 P管导通区 此时，P管向CL充电，仍使Uo=Ui。CMOS开关(传输门)UGP=1，UGN=0时：双管截止，相当于开关断开；时：双管截止，相当于开关断开；UGP=0，UGN=1时：双管有下列三种工作状态：时：双管有下列三种工作状态：nUiUGN-UTHN N管导通，管导通，Ui UGP+|
14、UTHP|Uo=0时时 P管截止管截止 Ui通过通过N管对管对CL充电至：充电至：Uo=UinUiUGP+|UTHP|P管导通管导通 Ui通过双管对通过双管对CL充电至：充电至：Uo=UinUi UGN-UTHN Uo=1 N管截止，管截止，Ui UGP+|UTHP|P管导通管导通 Ui通过通过P管对管对CL充电至：充电至：Uo=Ui 通过上述分析，通过上述分析，CMOS传输门是较理想的开关，它可将信传输门是较理想的开关，它可将信号无损地传输到输出端，并且号无损地传输到输出端，并且CMOS传输门的直流输出特传输门的直流输出特性近似为线性。性近似为线性。3.CMOS传输门的设计 为保证导电沟道与衬底的隔离为保证导电沟道与衬底的隔离(PN结反偏结反偏)，N管管的衬底必须接地，的衬底必须接地，P管的衬底必须接电源管的衬底必须接电源(UDD)。沟道电流沟道电流ID与管子的宽长比与管子的宽长比(W/L)成正比，成正比，为使为使传输速度快，传输速度快，要求要求ID大些，大些，沟道长度沟道长度L取决于硅栅多取决于硅栅多晶硅条的宽度，晶硅条的宽度，视工艺而定。视工艺而定。一般一般L取工艺最小宽度取工艺最小宽度(2），），那么，那么，要使要使ID大，大，就要将沟道宽度就要将沟道宽度W设计得设计得大一些大一些。
