1、四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本章主题 MOSFET结构及工作原理（补充）CMOS基本逻辑单元基本逻辑单元 静态逻辑和动态CMOS电路 BiCMOS逻辑集成电路 MOS存储器 四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室MOSFET逻辑设计逻辑设计 理想开关与布尔运算理想开关与布尔运算 MOSFET开关开关 基本的基本的CMOS逻辑门逻辑门 CMOS复合逻辑门复合逻辑门 传输门（传输门（TG）电路）电路 时钟控制和数据流控制时钟控制和数据流控制四川大学物理科学与技术学院四川大学
2、物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室理想开关与布尔运算理想开关与布尔运算xyAAB“1”“1”ABxyAAB“1”“1”AB“1”AA“0”四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室MOSFET开关开关 理想逻辑定义：理想逻辑定义：“0”：0V：低电压：低电压“1”：VDD：高电压：高电压=?=?XX与理想开关的区别？与理想开关的区别？阈值电压阈值电压 传输特性传输特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室基本的基本的CMOS逻辑门逻辑门 逻辑控制器逻辑控制
3、器+逻辑开关逻辑开关 互补对互补对 非门（非门（NOT门）门）CMOS或非门（或非门（NOR门）门）CMOS与非门（与非门（NAND门）门）CMOS复合逻辑门复合逻辑门 异或门（异或门（XOR）和异或非门（）和异或非门（XNOR）一般化的一般化的AOI和和OAI逻辑门逻辑门四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室基本逻辑符号基本逻辑符号11&1=1=&逻辑与逻辑与逻辑或逻辑或逻辑非逻辑非与非与非或非或非异或异或同或同或四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室传输门（传输门（TG）电路
4、）电路 双向开关双向开关 逻辑设计逻辑设计 多路选择器（多路选择器（MUX）或门（或门（or门）门）另一种异或另一种异或/异或非电路异或非电路四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室时钟控制和数据流控制时钟控制和数据流控制四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室习题习题 利用串利用串-并联逻辑，设计一个完成下列功能并联逻辑，设计一个完成下列功能的的CMOS逻辑门，要求使用晶体管数目最逻辑门，要求使用晶体管数目最少。少。F=not（A+BC+ABC）设设TG的维持时间为的维持时间为12
5、0ms。采用上图的设。采用上图的设计方法，能够用来控制数据流的最低时钟计方法，能够用来控制数据流的最低时钟频率是多少？频率是多少？四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室4.1 CMOS逻辑集成电路MOS反相器反相器电阻负载NMOS反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室反相器分类反相器分类MOS反相器输入（驱动管）必须是增强型反相器输入（驱动管）必须是增强型MOS，早期用，早期用PMOS（易于实现增强型）（易于实现增强
6、型）根据负载情况不同，反相器的形式也不同根据负载情况不同，反相器的形式也不同E/R电阻负载电阻负载NMOS反相器反相器（E/E、E/D）采用晶体管作为负载器件的反相器）采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器反相器反相器的特性反相器的特性驱动管驱动管负负载载RLMOS反相器是数字电路分析设计的基础。反相器是数字电路分析设计的基础。讨论驱动大电容负载，获得最小延迟时间的设计分析讨论驱动大电容负载，获得最小延迟时间的设计分析四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室反相器的特性反相器的特性Noise definition in DCNomi
7、nal voltage levelVoltage transfer characteristicNoise marginFan-in and Fan-outInput/output resistanceIdeal inverterDelay definitionPower dissipation四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室理想的反相器理想的反相器VDD/2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室静态行为的噪声电感耦合、电容耦合、电源串扰电感耦合、电容耦合、电源串扰四川大学
8、物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室直流特性Nominal voltage level数字逻辑：0、1 布尔量物理量：VOL、VOH 连续量LogicSwing：VOH-VOL反相器的阈值电压：VM （V(y)=V(x)的点）电压传输特性：Vout=f（Vin）V(x)VILVIH xVyV四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电平噪声容限VIL：输入电平逻辑“0”的最大输入电压VIH：输入电平逻辑“1”的最小输入电压VOL：输出电平逻辑“0”的最大输出电压VOH：输出电平逻辑“1”的
9、最小输出电压NML=VIL-VOLNMH=VOH-VIH转移特性曲线斜率为-1的点所对应的电压 1xVyV四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室噪声影响下的数字信号传播噪声影响下的数字信号传播在噪声容限内在噪声容限内前级反相器输出的逻辑前级反相器输出的逻辑1能够被后级反相器识别能够被后级反相器识别前级反相器输出的逻辑前级反相器输出的逻辑0能够被后级反相器识别能够被后级反相器识别四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室Fan-in and Fan-out器件的输入、输出电阻当输入信号
10、电压加到器件的输入端时，器件本身相当于前一级器件的负载输入电阻越大则前一级的信号衰减的越小器件空载时的伏安比为输出电阻器件的输出电阻越小，则输出电阻受负载的影响越小，说明器件带负载能力越强四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升时间上升时间TR输出电压从输出电压从V10%上升到上升到V90%所需的时间所需的时间下降时间下降时间TF输出电压从输出电压从V90%下降到下降到V10%所需的时间所需的时间反相器的动态特性反相器的动态特性 PHL延迟时间的定义延迟时间的定义输入电压上升到输入电压上升到V50%时和输出电压时和输出电压下降到下降到
11、V50%时之间的延迟时间时之间的延迟时间PLH输入电压下降到输入电压下降到V50%时和输出电压时和输出电压上升到上升到V50%时之间的延迟时间时之间的延迟时间延迟时间延迟时间tp四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室逻辑器件的功耗功耗对设计的影响封装、冷却设备、电源线尺寸的设计单个芯片中可容纳的晶体管数目影响芯片的可用性、造价、稳定性功耗分类峰值功耗电源线尺寸平均功耗冷却设备、电池容量功耗参数（静态功耗、动态功耗）功耗与速度的关系能量在晶体管中转移的越快、速度越快、延迟越小功耗延迟积来表达电路的特征四川大学物理科学与技术学院四川大学物理
12、科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室功率和能量功率和能量 功率，功率，Power 单位：瓦单位：瓦 Watts 单位时间内的能量，决定了电池的寿命单位时间内的能量，决定了电池的寿命 峰值功率峰值功率 影响电源线的布置、封装、噪声和可靠影响电源线的布置、封装、噪声和可靠 能量能量 单位：焦耳单位：焦耳 JoulesEnergy=power*time（delay）Joules=Watts*seconds 电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的操作需要较低的功率操作需要较低的功率四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专
13、用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室Wattstime功率是指曲线的高度功率是指曲线的高度WattstimeApproach 1Approach 2Approach 2Approach 1能量是指曲线的面积能量是指曲线的面积简单的低功耗设计只需降低速度简单的低功耗设计只需降低速度上述两种方法的能量相同上述两种方法的能量相同功率和能量功率和能量四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室功耗延迟积功耗延迟积 Power-delay product(PDP)=Pav*tp=(CLVDD2)/2 PDP 每个开关动作所需的平均能量每个开关动作
14、所需的平均能量(Watts*sec=Joule)能量延迟积能量延迟积 Energy-delay product(EDP)=PDP*tp=Pav*tp2电路的优值电路的优值Energy1/DelayabcdLower EDPbetterbetterE=CL VDD2 P01 +tsc VDD Ipeak P01 +VDD IleakageP=CL VDD2 f01 +tscVDD Ipeak f01+VDD Ileakage动态、动态、Dynamic power静态、静态、Short-circuit powerLeakage power f01=P01*fclock反相器中功耗反相器中功耗四川大
15、学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载电阻负载NMOS反相器反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电阻负载E/R5个有价值的临界点个有价值的临界点反相晶体管截止反相晶体管截止反相晶体管导通反相晶体管导通两个临界点两个临界点中点电压中点电压缺点缺点负载电阻值要求大负载电阻值要求大功耗大功耗大占用了版图占用了版图解决方案解决方案采用小尺寸的晶体管制作负载器件采用小尺寸的晶体管制作负载器件四川大学物理
16、科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载NMOS反相器采用晶体管作为负载器件的反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室饱和区工作的增强型负载反相器饱和区工作的增强型负载反相器负载管负载管M1处于饱和区处于饱和区输入高电平时，输入高电平时，M2导通，导通，Vout下降；下降；M1工作于饱和区工作于饱和区输入低电平时，输入低电平时，M2截止，截止，Vout上升到上升到VDD-VT；M1起上拉起上拉作用作用输出
17、低电平和两个管输出低电平和两个管 子的长宽比相关子的长宽比相关缺点缺点输出高电平低于输出高电平低于VDD要求要求k1K2功耗大功耗大受体效应的影响受体效应的影响四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室线性区工作的增强型负载反相器线性区工作的增强型负载反相器特点特点负载器件的栅接到另一直负载器件的栅接到另一直流电源流电源VGGVDD+VT负载器件工作在线性区负载器件工作在线性区输出波形上沿理想，电路输出波形上沿理想，电路工作速度较高工作速度较高缺点缺点要求额外的电源，芯片面要求额外的电源，芯片面积增大积增大要求要求k1VGS-VT时相当于恒
18、流源作为负载，能获时相当于恒流源作为负载，能获得较快的上升波形得较快的上升波形输入低电平时，输入低电平时，Vout VDD输入高电平时，输入高电平时，M2导通处于线性区，导通处于线性区，输出电压很小，但不为零输出电压很小，但不为零2K2(VDD-VT2)Vout=K1(VGS-VT1)2输出特性曲线较好，静态功耗不输出特性曲线较好，静态功耗不为零为零四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题（浙大2000年考题）N沟沟E/DMOS反相器，已知反相器，已知VDD=5V，增强管，增强管VT=1V，耗尽管耗尽管VT=-2伏，电子迁移率：伏，电
19、子迁移率：5002/VS。MOS栅栅氧化层厚度氧化层厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/，输，输入高电平入高电平VIH等于本级输出高电平等于本级输出高电平VOH，本级输出低，本级输出低电平电平VOL=0.25V，耗尽管的沟道宽长比为，耗尽管的沟道宽长比为0.5计算增强管的沟道宽长比（计算增强管的沟道宽长比（10分）分）计算反相器的导通功耗（计算反相器的导通功耗（10分）分）（1）通过输出低电压的）通过输出低电压的计算公式计算公式，得此比值为，得此比值为1（2）P=IV=IDVDD，得，得P=0.1mW四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实
20、验室专用集成电路设计实验室讨论与总结静态功耗导致应用的局限性（小规模）静态功耗导致应用的局限性（小规模）量纲的转换量纲的转换1埃埃=10-1纳米纳米=10-4微米微米=10-7毫米毫米=10-8厘米厘米迁移率：迁移率：2/VS；ax：F/=Q/Vcm；k：A/V21mil=25.4um，1inch=1000mil小结小结应用于中小规模应用于中小规模IC结构简单、速度快、工艺简单结构简单、速度快、工艺简单功耗大功耗大注意计算题中单位和量纲注意计算题中单位和量纲四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载NMOS反相器
21、采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器反相器CMOS传输门四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结构和工作原理Complementary Metal Oxide SemiconductorCMOS反相器由反相器由PMOS晶体管
22、和晶体管和NMOS晶晶体管串联构成，二者工作状态互补，两个体管串联构成，二者工作状态互补，两个管子必须是增强型管子必须是增强型P阱工艺、双阱工艺：阱工艺、双阱工艺：VTN：正、：正、VTP：负：负特点：特点：Vin=“1”(VDD)，Vout=“0”(0)逻辑摆幅大，近似等于工作电压值逻辑摆幅大，近似等于工作电压值工作中，总有一个管子处于截止态，所以静态工作中，总有一个管子处于截止态，所以静态功耗极小，有最大的逻辑摆幅功耗极小，有最大的逻辑摆幅CMOS电路是无比电路，逻辑门的版图设计不电路是无比电路，逻辑门的版图设计不是驱动相关的，晶体管能够面积最小化是驱动相关的，晶体管能够面积最小化稳态时，
23、输出电阻很小，因此抗干扰能力强，稳态时，输出电阻很小，因此抗干扰能力强，带载能力也很强带载能力也很强稳态时，输入端接到栅极电极板上，理论上有稳态时，输入端接到栅极电极板上，理论上有无穷大的扇入、扇出系数无穷大的扇入、扇出系数四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器反相器结构特点结构特点vnMOS和和pMOS交替导通交替导通v高电平高电平“1”为为VDD，低电平低电平“0”为为0VIN四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电
24、路的伏安特性电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS电路的伏安特性变换变换pMOS管的伏安曲线到管的伏安曲线到nMOS管的坐标管的坐标图上图上取得相同输入电压下的交点取得相同输入电压下的交点作出输入输出曲线作出输入输出曲线分析跳变增益分析跳变增益找到满足对称性和最大抗干扰区的中间点条找到满足对称性和最大抗干扰区的中间点条件件四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室坐标变换坐标变换VDSn：nMOS管的源漏间电压等于输出
25、电压IDn=-IDp：nMOS管漏电路和pMOS大小相等、方向相反Vout：输出电压等于VDD减去pMOS源漏间电压四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室取得相同输入电压下的交点四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室伏安特性曲线四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室几种反相器的比较四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电
26、路的伏安特性CMOS晶体管的状态晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室静态分析（图4-2（a）在伏安特性曲线上的五个区域在伏安特性曲线上的五个区域区域区域：VinVTnnMOS导通工作于饱和区、导通工作于饱和区、pMOS工作在线性区工作在线性区输出电压开始下降输出电压开始下降区域区域：Vin进一步增大，达到中值电压附近进一步增大，达到中值电压附近两个管子都进入了饱和区工作两个管子都进入了饱和区工作输入信号很小的变化会引起输出电压剧烈变化，成为高增益放大输入信号很小的变化会引起输出电压剧烈变化，成为高增
27、益放大区区区域区域：VinVDD-|VTp|pMOS进入饱和区、进入饱和区、nMOS进入线性区进入线性区P管的电阻大于管的电阻大于n管的电阻，输出电压开始向管的电阻，输出电压开始向“0”过渡过渡区域区域：VinVDD-|VTp|P管截止、管截止、n管进入低电阻的非饱和区管进入低电阻的非饱和区输出电压：输出电压：0四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电压传输特性的表达式直流传输特性直流传输特性饱和区：饱和区：ID=Kn(VGS-VT)2(1+VDS)线性区：线性区：ID=2Kn(VGS-VT)-VDS/2VDS电路特点电路特点VGSn=
28、VinVGSp=Vin-VDDVDSn=VoutVDSp=Vout-VDD两管电流大小相等方向相反两管电流大小相等方向相反得到电压传输特性的表达式：书上式得到电压传输特性的表达式：书上式4-94-13关于关于PMOS的的I-V特性特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性直流特性瞬态特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VM（VINVOUT）的确定的确定在在VM处，处，nMOS和和
29、pMOS均处于饱和区均处于饱和区通常阈值通常阈值电压固定电压固定VTn-VTpVM受受kRkp/kn（kR反相器的比反相器的比例因子的控制）例因子的控制）器件参数器件参数四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室对称情形对称情形若若2np通常通常VTn-VTp此时为理此时为理想反相器想反相器的值的值四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题例题一个一个CMOS工艺具有下列参数：工艺具有下列参数：Kn=140uA/V2 VTn=0.7VKp=60uA/V2 VTp=-0.7V1）对称设
30、计，）对称设计，PMOS、NMOS的大小的大小2）如果）如果NMOS、PMOS有相同宽长比，中值电压有相同宽长比，中值电压是多少？是多少？四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室KRKRKRKR非对称情形非对称情形四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室归一化电平归一化电平n=VTn/VDD、p=VTp/VDD在在高增益放大区中，两个管都处在饱和区高增益放大区中，两个管都处在饱和区两管电流大小相等、方向相反两管电流大小相等、方向相反R=kp/kn利用以上信息计算反相器的阈值电压利用以
31、上信息计算反相器的阈值电压VTRpRnDDTVV11VTn=|VTp|，所以n=pR=1；通过左式计算得VT=0.5VDD电压传输特性曲线的对称性总结：总结：MOS管阈值电压、管阈值电压、MOS管沟道的长宽管沟道的长宽比、载流子迁移率比、载流子迁移率四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VIL的确定的确定在在VINVIL处，处，nMOS处于饱和区，处于饱和区，pMOS处于线性区处于线性区1OUTINdVdV 2122pDppoxINDDTpOUTDDOUTDDpWICVVVVVVVL212nDnnoxINTnnWICVVL222pnno
32、xINTnpoxINDDTpOUTDDOUTDDnpWWCVVCVVVVVVVLLVINVIL对上式求导对上式求导1pnRkkk212222TNiPNDDTPDDiTPiTPioVVkkVVVVVVVVV8533TNTPDDILVVVV四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VIH的确定的确定在在VINVIH处，处，nMOS处于线性区，处于线性区，pMOS处于饱和区处于饱和区1OUTINdVdV 2122nDnnoxINTnOUTOUTnWICVVVVLVINVIH对上式求导对上式求导212pDppoxINDDTppWICVVVL222T
33、pDDINoxpPpOUTOUTTnINoxnnnVVVCLWVVVVCLW1pnRkkk2122TPDDiNPTNiTNioVVVkkVVVVV8355TNTPDDIHVVVV四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室在对称情形中在对称情形中VIHVILVDD低电平信号的噪声容限低电平信号的噪声容限NML：NMLVILVOLVIL 高电平信号的噪声容限高电平信号的噪声容限NMH：NMHVOHVIH VDDVIH 具有相等的噪具有相等的噪声容限声容限NMLNMHVTn-VTp四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设
34、计实验室专用集成电路设计实验室噪声容限由极限输出电平定义噪声容限：指定噪容NML=VIL-VOLVILNMH=VOH-VIHVDD-VIH由反相器阈值电压定义的最大噪声容限NNLM=VMNNHM=VDD-VMRpRnDDMVV11n、p、R直接影响直接影响了噪声容限，是设计反了噪声容限，是设计反相器主要公式。相器主要公式。MOS阈值电压数值升阈值电压数值升高会使开关速度下降高会使开关速度下降四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室Vin(V)Vout(V)器件的阈值电压始终不变Vin(V)Vout(V)Gain=-1电源电压电源电压VDD
35、的变化的变化四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室直流导通电流随输入、输直流导通电流随输入、输出电平的变化而变化，在出电平的变化而变化，在VINVM时最大时最大四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器直流特性的计算反相器直流特性的计算Vi为低电平时：为低电平时：Tn截止，截止，Tp导通，导通，VoH=VddVi2为高电平时：为高电平时：Tn导通，导通，Tp截止，截止，VoL=0ViV0IpInTpTn五个区域五个区域72页页四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与
36、技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器有以下优点：反相器有以下优点：（1）传输特性理想，过渡区比较陡）传输特性理想，过渡区比较陡（2）逻辑摆幅大：）逻辑摆幅大：VOH=VDD,VOL=0（3）一般）一般VM位于电源位于电源Vdd的中点，即的中点，即VM=VDD/2，因此噪声容限很，因此噪声容限很大。大。（4）只要在状态转换为）只要在状态转换为be段时两管才同时导通，才有电流通过，段时两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。静态功耗低因此功耗很小。静态功耗低（5）CMOS反相器是利用反相器是利用p、n管交替通、断来获取输出高、低电压管交替通、断来获取输出高、低电压
37、的，而不象单管那样为保证的，而不象单管那样为保证VoL足够低而确定足够低而确定p、n管的尺寸，因管的尺寸，因此此CMOS反相器是无比反相器是无比(Ratio-Less)电路。电路。（6）输入阻抗高（）输入阻抗高（1081010欧姆）欧姆）（7）工作电源电压范围宽）工作电源电压范围宽（8）散出能力强（但随着所带门数的增多，工作速度下降）散出能力强（但随着所带门数的增多，工作速度下降）（9）热稳定性较好）热稳定性较好（10）成本低）成本低（11）动态功耗）动态功耗四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理C
38、MOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬态特性瞬态特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室瞬态特性公式主要参数：上升沿瞬态时间（上升时间）tr、下降沿瞬态时间（下降时间）tf和延迟时间（包括tPHL和tPLH），见图4-7计算CMOS反相器瞬态特性的简化模型输入信号是理想的方波不计MOS管本身的驰豫时间将输出节点的本征电容和寄生电容用电容Cout等效上升时间：pMOS对Cout充电下降时间：Cout通过NMOS放电四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室二、二、
39、CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性简化模型假设：简化模型假设：把与输出节点相连把与输出节点相连的所有寄生电容等的所有寄生电容等价为一个负载电容价为一个负载电容CFET负载电容定义为负载电容定义为CL四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升时间上升时间l 反相器的上升反应时间决定于通过反相器的上升反应时间决定于通过Rp对对CL充电的时充电的时间间四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室下降时间下降时间l 反相器反相器的下降反的下降反应时间决应时间决定于通过定于通过Rn对对CL
40、放放电的时间电的时间四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室 前级反相器的负载电容约为后级反相器的两个晶体前级反相器的负载电容约为后级反相器的两个晶体管栅电容之和：管栅电容之和：Cl=Cgp+Cgn=Cox(WpLp+WnLn)ViVoVddViVoVddCgpCgnV iVoV d dC l四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升沿时间和下降沿时间上升沿时间输出电压从0.1VDD到-VTp输出电压从-VTp到0.9VDD积分后相加求得上升沿时间计算公式4-2021TpDDpro
41、utLVVktVCoutDDoutDDTpDDproutLVVVVVVktVC2/22VoutDoutLItVC四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室下降沿时间输出电压从0.9VDD伏下降到（VDD-VTn）所需的时间输出电压从（VDD-VTn）下降到0.1VDD所需的时间由于CMOS电路的对称性，类似的方法计算下降沿。此时以NMOS管来考虑线性工作区饱和区总结两个表达式完全对称。VTn=|VTp|，kn=kp，输出波形完全对称由于n2p，所以（W/L）p=2（W/L）n上升时间常数下降时间常数DDnLnDDpLpVkCVkC四川大学物
42、理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室门延迟时间平均延迟时间根据Q=CLV分两个阶段计算输出端从高电平变化到低电平的传播延迟时间tPHL输出端从低电平变化到高电平的传播延迟时间tPLH假定输入信号为方波假设恒定饱和电流求得tPHL=CL(VOH-VOL)/(2IHL)tPLH=CL(VOH-VOL)/(2ILH)加上输入上升沿修正tPHL=(tPHL2(方波)+(tr/2)2)1/2另外一种形式：tTSDNtLLdtVGkdtIVCQ020饱和区结论：CMOS功耗小，工作速度快，面积小四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电
43、路设计实验室专用集成电路设计实验室简化模型简化为对外极板电容充放电过程上升时间：对外极板的充电时间下降时间：对外极板的放电时间22TnDDnDDLDSnDDLPHLTpDDpDDLDSpDDLPLHVVkVCiVCtVVkVCiVCt最后求得的平均门延迟时间：2112122pPnNPHLPLHpttt四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室反相器的负载电容反相器的负载电容四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室负载电容CL本级输出节点的输出电容下一级输入电容和电路的扇出系数有关连线电
44、容大电容负载的驱动例题：IC输出焊盘尺寸为100100平方微米，电容密度为2.5fF/um2。已知一MOS反相器的尺寸为(W/L)n=(W/L)p=3um/3um，VTn=-VTp=1伏，kn=22.5uA/V2、kp=7.5uA/V2，VDD=5伏。计算用该倒相器驱动输出焊盘的上升延迟时间和下降延迟时间以及平均延迟时间？电路的最高工作频率T/2max（tr,tf）fm=1/（2max（tr,tf）（1）利用上述公式计算出上升延迟时间tPLH和下降延迟时间tPHL（2）根据平均延迟时间的公式来计算四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室简
45、化模型2当输入为方波时当输入为方波时下降时间等同于通过下降时间等同于通过NMOS放电时间放电时间上升时间等同于通过上升时间等同于通过PMOS充电时间充电时间例题例题有一个反相器电路，有一个反相器电路，FET的宽长比，的宽长比，nMOS：6、pMOS：8。其工艺参数：。其工艺参数：Kn=150uA/V2 VTn=0.7VKp=62uA/V2 VTp=-0.85V电源电压：电源电压：3.3V。总输出电容估计为。总输出电容估计为150fF。1）推算上升、下降时间）推算上升、下降时间2）此电路的最大工作频率）此电路的最大工作频率四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室
46、专用集成电路设计实验室对延迟时间在非阶跃输入情况，常用对延迟时间来反映电路的瞬态特性对延迟时间TD的定义：经两级倒相的非阶跃输入信号和输出信号相对应波形50幅度点的时间间隔。输入信号上升沿的50到同相输出信号上升沿的50的延迟时间TDr输入信号下降沿的50到同相输出信号下降沿的50的延迟时间TDf书上公式（4-21）半经验公式所以，对延迟时间与上升沿和下降沿时间有关；还与负载电容有关（1-n）20（1-p）2取决于有效的最大电流四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室讨论由关于上升沿和下降沿时间的4-19和4-20式可得tr/tf=kn/
47、kp，如果NMOS、PMOS尺寸相同，则tr/tf=neff/peff上升沿时间比下降沿时间长，如果要求相等，则要求pMOS的宽长比是nMOS的宽长比的2.5倍例题：已知NMOS管宽长分别为4微米、2微米。PMOS管的长：2微米，且neffCox=45微安/V2，peffCox=15微安/V2；VTn=-VTp=0.8伏，Cox=110-15F/平方微米，VDD=3伏。求PMOS栅宽度应为多少才能获得相等的上升沿和下降沿时间？这样的CMOS倒相器的平均延迟时间为多少？由公式由公式(4-19)、(4-20)得上升沿时间和下降沿时间的比值等于得上升沿时间和下降沿时间的比值等于kn/kp，所以既是，
48、所以既是要求要求kn=kp，根据器件增益系数的计算公式即可求得，根据器件增益系数的计算公式即可求得PMOS的栅宽值的栅宽值由由公式公式和书上和书上76页关于上升时间常数、下降时间常数的定义可求得平均延迟时间页关于上升时间常数、下降时间常数的定义可求得平均延迟时间四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性功耗特性四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室E=CL VDD2 P01 +ts
49、c VDD Ipeak P01 +VDD IleakageP=CL VDD2 f01 +tscVDD Ipeak f01+VDD Ileakage动态、动态、Dynamic power静态、静态、Short-circuit powerLeakage power f01=P01*fclockCMOS反相器中功耗反相器中功耗VinIonVVVTNitDD+VTP四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室静态功耗根据CMOS倒相器的特点：无论是输入高电平还是低电平，总是一个管子导通、另一个截止。所有pn结漏电流表面漏电流由于漏电流随温度变化：温度
50、每升高8度其值增加为原来的一倍，所以静态功耗也会随温度升高而增加四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室动态功耗当倒相器的输入端加入连续脉冲正常工作时，倒相器所耗散的功率动态功耗由两个分量迭加的结果负载电容和芯片内寄生电容的充放电电流引起的功耗电路作为开关转换时进入过渡区由峰值电流引起的暂态功耗一般为上一项的10动态功耗（4-23）式：与负载电容、工作频率和电源电压有关，而与器件参数无关降低电源电压是减少功耗的重要途径四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题设有一由300个CMO
