1 / 97

集成电路设计基础

集成电路设计基础. 王志功 东南大学 无线电系 2004 年. 第 10 章 MOS 基本电路. 10.1 传输门 10.1.1 NMOS 传输门 10.1.2 PMOS 传输门 10.1.3 CMOS 传输门 10.2 传输门的联接. 引言. MOS IC 基本逻辑电路 : 传输门 (Transmission Gate, Pass Transistor) : 用于开关和传输逻辑。 反 ( 倒 ) 相器 (Inverter) : 用于开关和恢复逻辑。. 10.1 传输门.

mieko
Download Presentation

集成电路设计基础

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 集成电路设计基础 王志功 东南大学 无线电系 2004年

  2. 第10章 MOS基本电路 10.1 传输门 10.1.1 NMOS传输门 10.1.2 PMOS传输门 10.1.3 CMOS传输门 10.2 传输门的联接

  3. 引言 MOS IC基本逻辑电路: • 传输门(Transmission Gate, Pass Transistor): 用于开关和传输逻辑。 • 反(倒)相器(Inverter): 用于开关和恢复逻辑。

  4. 10.1 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。

  5. 10.1.1 NMOS传输门 NMOS传输门电路符号下图所示。它只含有一个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。 图 10.1

  6. 10.1.1 NMOS传输门(续) 注意：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。 图 10.1

  7. 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，而不是V，Vgs = VVO。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。

  8. NMOS传输门(续) 规定符号： 变量 控制 输入 当前输出 前一时刻输出 VI VO VO– V 电压  I O 逻辑 O –

  9. NMOS传输门(续) • 两种情况: 1) = 0(V = 0), NMOS不通, VO和O保持不变, 即 VO=VO–, O=O –

  10. NMOS传输门(续) 2)= 1 (V 0) NMOS导通与否取决于Vgs= V-VO– • 若 VO – V-Vtn, 即 Vgs Vtn, NMOS导通,这时 • 若Vi> VO –, CL将被充电, VO上升, Vomax= V-Vtn • 若Vi < VO –, CL将放电, VO下降, VO= Vi • 若 VO – > V-Vtn, 即 Vgs < Vtn, NMOS不通, VO= VO –

  11. NMOS传输门(续) 假定： = 0，指V = 0  = 1，指V = Vdd I = 0，指Vi = 0 I = 1，指Vi = Vdd 则传输门的输出电压Vo特性为， =0 VO= VO =1 VO= min(Vi, V -Vtn)

  12. NMOS传输门(续) 结论： 1）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 = VddVTn。 2） 传输门是由控制的。 • 当= 1，MOS开关导通,可以传输信号。 • 当= 0，MOS开关不通,不传输信号.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。

  13. NMOS传输门(续) 3） 采用状态表示时，传输门特性为， • = 0  O=O– • = 1  O=I–

  14. 10.1.2 PMOS传输门 注意： 1）PMOS管的门限电压VTp是负的，只有当Vgs 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) 图 10.2

  15. 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.

  16. PMOS传输门(续) 定义：电压变量为Vi，Vo，V； 逻辑变量为I，O，。 并且， = 0，指V = 0  = 1，指V = Vdd I = 0， 指Vi = 0 I = 1， 指Vi = Vdd 图 10.2

  17. PMOS传输门(续) 两种情况: 1) = 0(Vf = 0) PMOS导通与否取决于Vgs=V-VO– • 若 VO –Vtp, 即 Vgs -Vtp, PMOS导通,这时若 • Vi > VO –, CL将充电, VO上升, VO= Vi • 若Vi< VO –, CL将放电, VO下降, VOmin= Vtp =0 VO(t)= max(Vi,Vtp)

  18. PMOS传输门(续) 2 ) = 1(V = Vdd), PMOS不通, VO和O保持不变, 即 VO(t)=VO – O=O – =1 VO= VO –

  19. PMOS传输门(续) • PMOS传输门的基本特性是 =0 VO= max(Vi, Vtp) =1 VO= VO –

  20. PMOS传输门(续) • 结论一: 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！

  21. PMOS传输门(续) • 结论二: PMOS 传输门也是由控制的. • =0, MOS导通, 传输信号 • =1, MOS截止, VO= VO – 所以, PMOS 传输门也是一种记忆元件, 可构成时序逻辑

  22. PMOS传输门(续) 采用状态表示的传输门特性

  23. PMOS传输门(续) 结论三: 从PMOS传输门的卡诺图指出，PMOS传输门的基本特性为， 表示在的控制下，传送I。即， = 0时，O = I  = 1时，O = O

  24. 10.1.3 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 图 10.3

  25. CMOS传输门(续) • =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可以充电充到1 这样，输出电平要么是0，要么是1(Vdd)，没有电平蜕化，可理想地实现信号传送。 图 10.3

  26. 10.2 传输门的联接 10.2.1 串联 串联是最常用的一种形式，电路如下图所示。 图 10.4

  27. 10.2.1 串联 假定两个NMOS传输门的控制信号分别是1与2，串联后，总的特性为

  28. 10.2.1 串联 表中Va是连接点a上的电压。当两个管子都导通时，最后的输出电压VO应当是Va与(V2VTn)之间的最小值。然而，Va是前级的输出电压，它应当是Vi与(V1VTn)之间的最小值。故， VO = min( Va，V2VTn) = min[min(Vi，V1VTn)，(V2VTn)] = min[Vi，V1VTn，V2VTn] 图 10.4

  29. 10.2.1 串联(续) 定义： 1 = 0，指V1 = 0 2 = 0，指V2 = 0 1 = 1，指V1 = Vdd2 = 1，指V2 = Vdd I = 0，指Vi = 0 I = 1，指Vi = Vdd 串联后，它们的卡诺图为，

  30. 10.2.1 串联(续) 结论：两个NMOS传输门串联后， 1) 控制信号1与2的作用是以联合形式出现的。 • 若12 = 0 ，总有一个开关不导通，输出就保持在 前一个状态之值，Vo= Vo。 • 若12 = 1，则两个开关都导通，可以传输数据 2) 传输“0”逻辑是理想的，但传输“1”逻辑则产生电平蜕化。 其蜕 化程度为 min( V1VTn，V2VTn )。 3） 输入I与输出O之间的关系为，O = 12( I ) O = I，当12 = 1 O = O，当12 = 0 4） 推广到任意k个传输门串联，有O = 12…k( I ) 但电平蜕化更严重。

  31. 10.2.2 并联 并联也是常用的一种形式，其电路如下图所示。 图 10.5

  32. 10.2.2 并联(续) • 当12 = 1时，电路是冲突的。因为这时两个传输门都把各自的输入信号传输给共同的输出。 • 如果两路输入状态相同，且电压值也相等，Vi1 = Vi2，则这类传输仍是许可的。但若两路输入的状态不同，电压值不等，且若两个MOS开关也很理想，则电路就矛盾。按照Kirchoff定律，有 Vi1Vo= 0 Vi2Vo= 0 则必有Vi1 = Vi2，结果是依靠外电路实现新的平衡，强迫Vi1 = Vi2。

  33. 10.2.2 并联(续) 定义： 1 = 0，指V1 = 0 2 = 0，指V2 = 0 1 = 1，指V1 = Vdd 2 = 1，指V2 = Vdd I1 = 0，指Vi1 = 0 I2 = 0，指Vi2 = 0 I1 = 1，指Vi1 = Vdd I2 = 1，指Vi2 = Vdd 则两个MOS开关并联后，其输出电压Vo特性为，

  34. 10.2.2 并联(续) 相应的卡诺图为， 如果在运行时，能保证不出现冲突情况，则可以把这两个禁止状态划入圈内，可得， O = 1 I1+2 I2，除了1+ 2 = 0外 O = O， 1+ 2 = 0 可见，它是一种与或逻辑。其中，“与”发生在控制变量i与传输变量Ii之间，条件是不发生冲突；“或”发生在线或逻辑。两路都不使能时，输出为高阻态，保持在前一个状态。

  35. 10.2.2 并联(续) 上式也可写为， O = 1( I1 ) + 2( I2 ) 表示，在1控制下传输I1与2控制下传输I2发生线或。 显然，两个NMOS传输门的并联，可以推广到任意k个传输门的并联。得， O = 1( I1 ) + 2( I2 ) + … + k( Ik )

  36. 10.2.3 串并联 串并联是传输门网络的最基本形式， 其电路如图所示。 它的输出为， O = 13 ( I1 ) + 24( I2 ) + 12 ( I3 ) + 34 ( I4 ) 对一个复杂的传输门网络，上式可写为， O = P1( I1 ) + P2( I2 ) + … + Pk( Ik ) 式中Pk是第k路的各控制变量的逻辑乘积 图 10.6

  37. 10.3 NMOS反相器 反相器的传输门观点解释 • NMOS的源极视作传输门的输入端Vi，但是接地，即Vi0。 • NMOS的漏极视作传输门的输出端，通过RL接Vdd。 • V=0， MOS管截止，VO=Vdd；V= Vdd， MOS管导通， 如RL10k，RMOS1k，则分压比为10:1，VOL < Vdd/10， 属于低电平，可以作为逻辑“0”。于是有 VO与V的逻辑关系正好是一个反相器。 输出状态O是输入状态的非。

  38. 10.3 NMOS反相器 反相器的共源放大器观点解释 NMOS反相器基本电路：共源放大器。Vi=0， MOS管截止，Vo=Vdd； Vi= Vdd， MOS管导通，如RL10K，RMOS1K，则分压比为10:1，VOL < Vdd/10，属于低电平，可以作为逻辑“0”。于是有 不言而喻，它是一个反相器。 输出状态O是输入状态I的非。 图 10.10

  39. 10.4 NMOS反相器负载电阻的选择 NMOS反相器的负载有四种基本形式： • 纯电阻负载。 • 工作在饱和区的增强型MOS管负载。 • 耗尽型MOS管负载。 • 工作在非饱和区的增强型MOS管负载。

  40. 10.4.1 纯电阻负载RL 电路图 图 10.11

  41. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) 过去曾认为，用扩散电阻做负载，所占硅片面积太大，因而改用有源器件做负载。但是，随着半导体工艺的发展，特别是离子注入技术的进展，在80年代初期，在NMOS数字集成电路中，又开始采用纯电阻负载。不过，采用的是多晶硅电阻。采用多晶硅电阻作负载的反相器目前已广泛用于构造SRAM电路。因为多晶硅的电阻率高，且易于控制，用它来代替耗尽型管负载后，SRAM存储胞的面积可以节省40%。

  42. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) • 输入低电平ViL 当Vi = ViL < VT时，MOS管截止，输出高电平VOH  Vdd。 • 输入高电平ViH。 当Vi = ViH > VT时，MOS管导通。如果负载线做在MOS管特性曲线的转折处，则

  43. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) 由此可解出VOL，它将是VOH和RL的函数。通常，VOL << Vdd，则上式可以简化，得 如果要求反相器输出低电平，低于VOL，则负载电阻RL必须大于该值。

  44. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) • 反相器的上升沿取决于充电电路。 充电电流 ： ch = RL CL，电阻上的压降为， 故输出电压Vo为 Vo = Vdd ich RL = Vdd 显然，当Vo上升到VOH时，就可以确定上升沿。

  45. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) • 反相器的下降沿取决于放电电路。 主要放电路径是CL通过MOS管放电，从VOH放到VOL。从特性曲线上可以看出，整个放电过程中MOS管处于饱和状态，属于恒流放电，其等效电路如图所示 图 10.12

  46. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) 注意，这个电路的计算相当麻烦，因为它有三个电源： 1) 恒流源Ids；2) 电源电压Vdd；3) 电容初始电压VOH 可以利用叠加原理来计算，它相当于两个电路之和， 如图所示。 图 10.13

  47. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) 电流源开路的那一部分，它的输出电压VO1可以套用充电电路的结果， 电压源短路的那一部分可以转化为电压源形式，如图 图 10.14

  48. 10.4.1 纯电阻负载RL(续) 这样，总的输出电压Vo为， 可以检验，上式是正确的。因为当t = 0时，Vo = VOH；当t = 时，Vo =VOL，于是， 理论上讲，要t = 才能建立低电平VOL，但实际上，放电放到0.1 VOL就够了。于是， 由此可见，在纯电阻负载的反相器中，上升沿与下降沿主要取决于负载电阻RL的选择。

  49. 10.4.2 饱和增强型负载 图 10.15 如图所示。该电路特点是，用增强型MOS管做负载，且它的栅极连到最高电位Vdd，同漏极电位一样。

  50. 10.4.2 饱和增强型负载(续) 为什么称它为饱和增强型负载呢？这是有道理的。栅极与漏极短路，负载实际上是一个二极管，其伏安特性可以从三极管特性中，按照Vds = Vgs导出。人们把特性曲线的转折点连起来，可以得到一条曲线，它满足Vds = VgsVT，是非饱和区与饱和区的分界线。如果将这条曲线右移VT值，即可得到满足Vds = Vgs的二极管伏安特性。现在，人们就把这条二极管特性作为负载线，而这条二极管特性曲线上任何一点都在原三极管的饱和区内，故称为饱和增强型负载。

More Related