chapter2数字部分-集成电路cad设计.ppt
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1、Cmos数字电路,CMOS反相器 MOS传输门 静态CMOS门电路 动态CMOS电路 MOS其它单元电路,黑龙江大学集成电路与集成系统,参考书目: 1、半导体集成电路,朱正涌 编著。清华大学 出版社。 2、数字集成电路电路-电路、系统与设计,美Jan M.Rabaey.周润德 译。电子工业出版社。,黑龙江大学集成电路与集成系统,MOS基本逻辑单元电路,MOS集成电路具有集成度高、功耗低的特点,是当今大规模集成电路的主流产品,尤其是CMOS集成电路。,黑龙江大学集成电路与集成系统,静态MOS反相器,MOS反相器特性的分析是MOS基本逻辑门电路分析的重要基础。,黑龙江大学集成电路与集成系统,1.
2、结构和工作原理,Vi为VOL时,MN截止,MP非饱和,-Kp 2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) (VOH-VDD ) 2 = 0,VOH = VDD,Vi为VOH时,MN非饱和,MP截止,Kn2(VOH-VTN)VOL-VOL2 =0,VOL=0,无比电路,MP 为PMOS,VTP 0,CMOS反相器,黑龙江大学集成电路与集成系统,2.电压传输特性及器件工作状态表,黑龙江大学集成电路与集成系统,3.噪声容限,(1)指定噪声容限,VNMmax=minVNMHmax, VNMLmax ,0,0,1,1,黑龙江大学集成电路与集成系统,(2) 最大噪声容限,VNMH=VOH-V*
3、 =VDD-V*,VNML=V*-VOL=V*,当V*为 时,噪声容限为最大(),V*将随着o的变化而向相反方向变化,NMOS和PMOS都饱和时有:,记作V*,黑龙江大学集成电路与集成系统,4.瞬态特性,Vo,CL为负载电容,带负载门数越多, 连线越长,CL越大,延迟越大。,在cmos电路中,负载电容的充放电时间限了开关速度。,例:画出在开关期间nmos管工作点的移动轨迹。(阶跃电压Vi从0变化到VDD时,Vo和ID的关系曲线),VDD,Vi,MP,MN,Vo,黑龙江大学集成电路与集成系统,(1)下降时间,KN越大 tf越小,tf = tf1 + tf2,黑龙江大学集成电路与集成系统,(2)上
4、升时间,KP越大 tr越小,tr = tr1 + tr2,黑龙江大学集成电路与集成系统,(3)平均延迟时间,tpd =(tpHL + tpLH )/2,黑龙江大学集成电路与集成系统,5.功耗特性,(1) 静态功耗PD 理想情况下静态电流为0,实际存在漏电流(表面漏电,PN结漏电),有漏电功耗: PD = IosVDD,CMOS电路功耗由三部分组成:静态功耗、瞬态功耗和节点电容充放电功耗。,设计时应尽量减小PN结面积,黑龙江大学集成电路与集成系统,(2)交流功耗PA,由于节点都存在寄生电容,因而状态转换时输入波形有一定的斜率,使NMOS和PMOS都处于导通态,存在瞬态电流,产生功耗:,设计时应尽
5、量减小tr和tf,黑龙江大学集成电路与集成系统,(3)瞬态功耗PT,在状态转换过程中,结点电位的上升和下降,都伴随着结点电容的充放电过程,产生功耗:,设计时应尽量减小节点寄生电容,PT = CL VDD 2,黑龙江大学集成电路与集成系统,6.最佳设计,(1)最小面积方案,芯片面积 A=(Wn Ln+ Wp Lp) 按工艺设计规则设计最小尺寸 Lp = Ln Wp = Wn 面积小、功耗小、非对称延迟,(2) 对称延迟方案,上升时间与下降时间相同tr = tf 应有:Kp = Kn,一般取:Lp=Ln则有:Wp/ Wn =n /p 2,黑龙江大学集成电路与集成系统,(3)对延迟最小方案(Tpd最
6、小),一般取:Lp = Ln Wp/Wn =12 CL=CE+(Wp Lp + Wn Ln) Cg0,黑龙江大学集成电路与集成系统,(4)级间最佳驱动方案,设:级间尺寸比为,CL/Cg = 驱动相同负载延迟为,一般取 = 25,则:每级门延迟为,总延迟 为N, N=,N=ln/ln,可见: =e时,总延迟最小,因此有: N = ln(/ln),黑龙江大学集成电路与集成系统,7.单元版图示例,黑龙江大学集成电路与集成系统,MOS传输门,MOS传输门就是通过控制MOS管的导通和截止来实现信号的传输控制。结构简单,控制灵活,是组成MOS电路的基本单元之一。,黑龙江大学集成电路与集成系统,单沟传输门
7、1. NMOS传输门,G为“1”电平时 NMOS开启,传送信号,G为“0”电平时 NMOS管截止,不传送信号。,O点电容通过饱和导通的NMOS管放电,NMOS管逐渐进入非饱和,放电加快,最终O点达到与I点相同的“0”。,(1)由I向O传送“0”时(假设O初始为“1”),黑龙江大学集成电路与集成系统,O点电容通过饱和导通的NMOS管充电,当O点电位上升到比G点电位低一个VTn时, NMOS管截止。即最终O点达到的“1”比G点的“1”低一个VTn 。,(2)由I向O传送“1”时(假设O初始为“0” ),黑龙江大学集成电路与集成系统,2. PMOS传输门,G为“0”电平时 PMOS开启,传送信号,G
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