9-数字集成电路基本单元与版图.ppt
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1、集成电路设计基础,第九章 数字集成电路基本单元,华南理工大学 电子与信息学院 广州集成电路设计中心 殷瑞祥 教授,第九章 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,2,9.1 TTL基本电路,3,TTL反相器,4,具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路,与非门电路,5,TTL或非门,第九章 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
2、,6,9.2.1 CMOS反相器,7,NMOS和PMOS的衬底分开 NMOS的衬底接最低电位地, PMOS的衬底接最高电位Vdd。 NMOS的源极接地,漏极接高电位; PMOS的源极接Vdd,漏极接低电位。,输入信号Vi加在两管g和s之间,由于NMOS的s接地, PMOS的s接 Vdd,所以Vi对两管参考电位不同。,CMOS反相器的转移特性,8,Vi Vtn 导通,Vi Vdd - |Vtp| 截止 Vi Vdd - |Vtp| 导通,NMOS:,PMOS:,PMOS视为NMOS的负载,可以像作负载线一样,把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上,整个工作区 分为五个区域 A B C D E,
3、CMOS反相器的转移特性(续1),9,A区:0 Vi Vtn,NMOS截止 Idsn = 0 PMOS导通 Vdsn = Vdd Vdsp = 0,反相器转移特性(续2),10,B区: Vtn Vi Vdd,NMOS饱和导通, 等效为电流源,NMOS平方率跨导因子,PMOS平方率 跨导因子,PMOS等效为 非线性电阻,在Idsn的驱动下,Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。,反相器转移特性(续3),11,C区: Vi Vdd,NMOS导通,处于饱和区; PMOS也导通, 处于饱和区; 均等效于一个电流源。,反相器转移特性(续4),n/p对转移特性的影响,12,反相器转移特性(续
4、5),13,D区: Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp,与B区情况相反,PMOS导通,处于饱和区,等效一个电流源:,NMOS强导通,等效于非线性电阻,反相器转移特性(续6),PMOS截止, NMOS导通。 Vdsn = 0 |Vdsp| = Vdd Idsp = 0 与A区相反,14,E区:Vi Vdd +Vtp,反相器转移特性(续7),15,CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流,反相器转移特性(续8),PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性。,16,对于数字信号,CMOS反相器静态时,工作在A区 或E区 Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd ( O = 1 ) Vi =
5、 Vdd (I = 1) Vo = 0 ( O = 0 ) 状态转换时:(I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0),Is-s= 0 Pdc= 0,Is-s 0 Ptr 0,CMOS反相器的瞬态特性,研究瞬态特性必须考虑负载电容(下一级门的输入电容)的影响。 脉冲信号参数定义 上升时间tr Vo=10%VomaxVo=90%Vomax 下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Vomax 延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax,17,NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为: Vdsn:0Vdd |Vdsp|:Vdd0 ,即 123原点,18,CM
6、OS反相器的瞬态特性(续1),Vi从1到0 CL充电,考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和状态,输出脉冲上升时间可分为两段来计算。,19,CMOS反相器的瞬态特性(续2),Vo|Vtp|,20,CMOS反相器的瞬态特性(续3),饱和状态时,假定VC(0)=0, 恒流充电时间段有,非饱和状态时,NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱和状态,输出脉冲的下降时间也可分为两段来计算。,21,CMOS反相器的瞬态特性(续4),Vi从0到1 CL放电,22,CMOS反相器的瞬态特性(续5),饱和状态,假定VC(0)=Vdd,恒流放电时间段,非饱和状态,tf = tf1 + tf2,反相器电路图
7、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,23,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,24,并联反相器版图,(a)直接并联(b)共用漏区(c)星状连接,25,CMOS与非门和或非门,与非门和或非门电路: (a)二输入与非门(b)二输入或非门,26,与非门的版图,(a)按电路图转换(b)MOS管水平走向设计,27,或非门版图,(a)输入向右引线(b)
8、输入向上引线,28,传输门,传输门不仅是MOS集成电路中的一种基本电路,而且还是一种基元,因为其它基本电路,如反相器,实际上也是由传输门组成的。,NMOS传输门电路只含有一个MOS管,栅极加控制电压V,衬底接地。 MOS管的漏极D与源极S分别接输入与输出。输出负载是一个电容CL,它是后级的输入电容。,NMOS传输门,MOS管的结构是对称的。 D和S 在结构上没有任何差别。通常, 规定输入端为D,输出端为S。 因为: 这种电路是不加电源电压的; 电路正常工作所需的能量全由输入端提供。 当MOS管导通时,输入电压就对CL充电,在CL上建立输出电压,其能量由输入端提供。或者CL对输入端放电,把能量还
9、给输入端。因而,输出电压总是小于或等于输入电压。 所以,规定输入端为D,输出端为S。,NMOS传输门(续),传输门电路很简单,但分析还相当麻烦。因为: 1) 控制MOS开关导通与否的电压是Vgs = VVO ,而不是V。这里VO既是输出电压,又重新作用在 g-s之间,是百分之百的负反馈,象一个“源极跟随器”。 2) 负载是一个电容CL,它有充放电过程,输出电压Vo是逐步建立起来的。 当开关断开,停止充放电时,电容CL上的电荷将保持不变,相应的输出电压Vo也保持不变(MOS呈高阻态)。 所以,传输门不仅仅是一只开关,而且还有记忆能力。,NMOS传输门(续),规定符号:,NMOS传输门(续),1)
10、 = 0 (V = 0), NMOS不通, VO和O保持不变, 即 VO=VO, O=O 2) = 1 (V 0) NMOS导通与否取决于Vgs= V -VO 若 VO V -Vtn Vgs Vtn NMOS导通,这时 若Vi VO CL被充电 VO上升 Vomax= V -Vtn 若Vi V -Vtn Vgs Vtn NMOS不通 VO= VO ,NMOS传输门(续),假定: = 0 V = 0 = 1 V = Vdd I = 0 Vi = 0 I = 1 Vi = Vdd 则传输门的输出电压Vo特性为, =0 VO= VO =1 VO= min(Vi, V -Vtn),NMOS传输门(续)
11、,1) 传输门由控制开关通断。 当 = 1,MOS开关导通。 = 1 O=I 当 = 0,MOS开关不通。 = 0 O=O 这时,Vo = Vo,是前一个状态之值。这表示,传输门是一种记忆元件,是一种时序逻辑。 2)当NMOS传输门用作开关以传输逻辑信号时,传输“0”逻辑将是理想的。传输“1”逻辑则不理想,因为电平是蜕化的:尽管输入Vi = Vdd,输出却为Vo = VddVTn。,NMOS传输门(续),NMOS传输门特性,如果电路工作频率较低,状态改变慢,则电容中存储的电荷将消耗掉,O=0,这时,NMOS输入输出逻辑函数关系为,PMOS传输门,1)PMOS管的门限电压VTp是负的,只有当Vg
12、s VTp,即负得足够时才会导通。 2) 在PMOS电路中,通常是加负电源电压Vdd,而正端接地。 3) 衬底接最高电位,即地。,I = input,O = output, = phase(control),PMOS传输门(续),早期的PMOS电路采用负电源,负逻辑,上述各点都正确。然而,PMOS逻辑电路已经淘汰。目前,PMOS管仅用于CMOS电路。它采用正电源,正逻辑。于是,衬底接Vdd。 PMOS传输门的工作原理同NMOS传输门完全一样. 定义:电压变量为Vi,Vo,V; 逻辑变量为I,O,。 = 0 V = 0 = 1 V = Vdd I = 0 Vi = 0 I = 1 Vi = Vd
13、d,PMOS传输门(续),1) = 0 (V = 0) 若 VO Vtp Vgs -Vtp PMOS导通 Vi VO CL充电 VO上升 VO= Vi Vi VO CL放电 VO下降 VO= VOmin= Vtp =0 VO(t)= max(Vi, Vtp) 2 ) = 1 (V = Vdd), PMOS不通, VO和O保持不变, 即 VO(t)=VO O=O =1 VO= VO,PMOS传输门(续),PMOS传输门用作开关传输逻辑信号时 传输“1”逻辑, 将是理想的。 传输“0”逻辑, 不是理想的。因为电平是蜕化的, 即Vi=0, Vomin=Vtp. PMOS放电放不到底! PMOS 传输
14、门也是由控制的. =0, MOS导通, 传输信号 =1, MOS截止, VO= VO PMOS 传输门也是一种记忆元件, 可构成时序逻辑,PMOS传输门(续),PMOS传输门特性,PMOS传输门的基本特性为:,在的控制下,传送I = 0 O = I = 1 O = O,CMOS传输门,将NMOS传输门和PMOS传输门的优缺点加以互补, 得到特性优良的CMOS传输门,=0, NMOS和PMOS都不导通, VO(t)= VO(t-Tp) 不传输信号 =1, NMOS和PMOS导通, 有两条通路 若I=0, 则NMOS通路更有效 CL可以放电放到 0 若I=1, 则PMOS通路更有效 CL可以充电充
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