電子技術(shù)相關(guān)數(shù)字集成電路基礎(chǔ)作業(yè)答案

1、數(shù)字集成電路基礎(chǔ)作業(yè)答案第一次作業(yè)1、查詢典型的TTL與CMOS系列標(biāo)準(zhǔn)電路各自的 VIH、VIL、VOH和VOL , 注明資料出處。2、簡述摩爾定律的內(nèi)涵，如何引領(lǐng)國際半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。第二次作業(yè)1、說明CMOS電路的Latch Up效應(yīng)；請畫出示意圖并簡要說明其產(chǎn)生原因;并簡述消除“ Latch-up”效應(yīng)的方法。答：在單阱工藝的 MOS器件中（P阱為例），由于NMOS管源與襯底組成 PN結(jié)，而PMOS 管的源與襯底也構(gòu)成一個 PN結(jié)，兩個PN結(jié)串聯(lián)組成PNPN結(jié)構(gòu)，即兩個寄生三極管（NPN 和PNP）, 一旦有因素使得寄生三極管有一個微弱導(dǎo)通，兩者的正反饋使得電流積聚增加， 產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象

2、。影響：產(chǎn)生自鎖后，如果電源能提供足夠大的電流，則由于電流過大，電路將被燒毀。消除“ Latch-up”效應(yīng)的方法：版圖設(shè)計時：為減小寄生電阻Rs和Rw ,版圖設(shè)計時采用雙阱工藝、多增加電源和地接觸孔數(shù)目，加粗電源線和地線， 對接觸進行合理規(guī)劃布局，減小有害的電位梯度；工藝設(shè)計時：降低寄生三極管的電流放大倍數(shù)：以 N阱CMOS為例， 為降低兩晶體管的放大倍數(shù)，有效提高抗自鎖的能力，注意擴散濃度的控制。為減小寄生 PNP管的寄生電阻Rs,可在高濃度硅上外延低濃度硅作為襯底，抑制自鎖效應(yīng)。工藝上采 用深阱擴散增加基區(qū)寬度可以有效降低寄生NPN管的放大倍數(shù)；具體應(yīng)用時：使用時盡量避免各種串?dāng)_的引入，

3、注意輸出電流不易過大。2、什么是器件的亞閾值特性，對器件有什么影響？答：器件的亞閾值特性是指在分析 MOSFET時，當(dāng)VgsVth時MOS器件仍然 有一個弱的反型層存在，漏源電流Id并非是無限小，而是與Vgs呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，這種效應(yīng)稱作亞閾值效應(yīng)。 影響：亞閾倡導(dǎo)電會導(dǎo)致較大的功率損耗，在大型 電路中，如內(nèi)存中，其信息能量損耗可能使存儲信息改變，使電路不能正常工作3、什么叫做亞閾值導(dǎo)電效應(yīng)？并簡單畫出log ID -Vgs特性曲線。上，Vgs zVth時，一個“弱”的反型層仍然存在，并有一些漏源電流。甚至V gs 1,是個非理想因子，我們也稱器件工作在弱反型區(qū)。其特性曲線如圖1.6所示.4、基于

4、NMOS管一階I-V公式，計算寬長比分別為 W1/L1與 W2/L2的NMOS管M1與M2進行串聯(lián)（如左圖）與并聯(lián)（如右圖）后的三端電 路的I-V關(guān)系。如果速度飽和呢？Ml解:M2另解：串聯(lián)時Case I: Mi and M2 are both in the triode region:I _ =CD i n J oxWiLii 2_(V GSi - VTH )VDSi - 2 VDSi nCxWiLi12(VG-VX-VTH)(VDS-VX)-2(VDS-VX)2一W212Wi12丘二 nCox-(VGS2-VTH)VDS2-2VDS2 二nCox 匚(VG-VTH)Vx -5 Vx (2)

5、I D1 Td2 = I D錯誤!W2 cW1 ,W2 Wi、1未找到引用源。L2）錯誤！未找到引用源。Lt7+LId二nCox(Vg1212-Vx-VTH)(VDS-Vx)-/DS-Vx)(VG-VTH)Vx-rx=nCx(Vg12-Vth)Vds-2VDs I D =nCox%+絲(Vg-Vth)vds-2VDeL1 L 2Case II :Mi is in the saturation region while M2 is inthetriode region:I D1 - nCox(VGS1 -VTH )L 1=nCox(Vg - Vx - Vth )LiI D2 TOC o 1-5

6、h z -W2 12,-W1 12,(4)一n Cox(V GS2 - Vth )V DS2 - - VDS2 = nCox (V g - Vth )Vx -Vx L22L12I D1,1 ,2,1 ,、 ，2-(Ki-K2) Vx -(K1 -K2)VVx+K1 V2=0. ._Wi_ W2Where K 1 = n Cox， K2=tCox,V= VG-VTHL1L2Solve out the value of Vx , than replace it into the equation (3), which is the final answer. yet it is difficult

7、.WiW2To simplify it, we can suppose 丁 = 丁thanI D nCoxWi2Li2(VG-VTH)2VGS1 - VTH = VG - Vx - VTH VG-VTHVx so M2 is always in the triode region.第三次作業(yè)1、給出E/R反相器的電路結(jié)構(gòu)，分析其工作原理及傳輸特性，并計算 VTC曲 線上的臨界電壓值。解：V DDRLV outLVin MiVinVT0時，MI處于截止?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生任何漏極電流。 隨著輸入電壓增加而超過 VT0 時，M1開始導(dǎo)通，漏極電流不再為0,由于漏源電壓 VDS=Vout大于Vin- VT0

8、,因而M1初始處于飽和狀態(tài)。隨著輸入電壓增加，漏極電流也在增加，輸出電壓Vout開始下降，最終，輸入電壓大于 Vout+ VT0, M|進入線性工作區(qū)。在更大的輸入電壓下，輸出電壓繼續(xù) 下降，MI仍處于線性模式。傳輸特性曲線如圖示：V outVinVT0 時,M| 截止5 Vout= V OH= V DDV in= VoH=V DD 時，V out=V OLMl： V GS=V in=V DDV DS=V out=V OL-V DS1Vin=VIL 時，M I ： Vgs=V in=V ILV DS=V outV dsVgs-V toM I飽和導(dǎo)通Ir=(V DD-Vout)/RL2Im=1/

9、2 Kn (Vgs - Vto)2=1/2 Kn (Vin - Vto)Im=Ir,對 Vin 微分,得：-1/RL(dVout/dVin)= Kn (Vin - Vto), dVout/dV in=-1 V|L=Vin=VT0+1/K nRl此時 Vout=VDD-1/2KNRLVin=VlH 時，M|： V GS=V in=V IHV DS=V out-V ds1轉(zhuǎn)換時會發(fā)生什么問題？當(dāng)1-0轉(zhuǎn)換時會如何？ 如果這樣，描述會發(fā)生什么并在電路的某處插入一個反向器修正這個問題。答案：如果輸入產(chǎn)生一個1-0轉(zhuǎn)換時不存在問題，只要當(dāng)賦值階段開始時輸入 是穩(wěn)定的。然而，如果輸入產(chǎn)生一個 0-1轉(zhuǎn)換，

10、Out1將開始預(yù)充電到1,而在 賦值階段開始以后一段時間變?yōu)?0。在我們的例子中這個時間為 T/2。這能夠使 下一個PDNft Out1變低前將Out2拉低，并且在Out2中引起誤差。要解決這個問題，在PDNT生Out2前插入這個反向器2、分析下面的電路，指出它完成的邏輯功能，說明它和一般動態(tài)組合邏輯電路 的不同，說明其特點。A B -clhH答案：該電路可以完成 OUT=AB的與邏輯。與一般動態(tài)組合邏輯電路相比，它增加了一個 MOS管Mkp,這個MOS管起到了電荷保持電路的作用，解決了一般動態(tài)組合邏輯電路存在 的電荷泄漏的問題。3、簡述動態(tài)組合邏輯電路中存在的常見的三種問題，以及他們產(chǎn)生的原

11、因和解決的方法。答案：動態(tài)組合邏輯電路中存在的常見的三種問題是電荷泄漏，電荷分配和時鐘饋通 。電荷泄漏產(chǎn)生的原因是與輸出相連的MOS管的漏電流，導(dǎo)致輸出的電壓下降，可能造成輸出電壓的跳變， 形成錯誤。解決辦法是在電路中接入電荷保持電路，將輸出拉回到高電平。電荷分配產(chǎn)生的原因是電路中某些節(jié)點導(dǎo)通時各處存在的電容之間電荷的再分配，會導(dǎo)致電路閾值下降，影響輸入結(jié)果。解決辦法是在電路中對中間節(jié)點進行預(yù)充電。 時鐘饋通產(chǎn)生的原因是預(yù)充電時時鐘輸入和動態(tài)輸出節(jié)點的電容耦合引起的。它會導(dǎo)致 COMS出現(xiàn)閂鎖，影響輸出結(jié)果。解決辦法是在設(shè)計和布置動態(tài)電路版圖時減少電容耦合 情況的發(fā)生。4、為什么C2MOS結(jié)構(gòu)

12、電路可以抗交疊?Fa*J CMOS Uftrtire當(dāng)fCW電網(wǎng)%所示電端材端苦口也時口麥他作燈列短限丫手陽樞一出口9為,.叫相口晌如榜母 注*Q發(fā)生麥化,當(dāng)五升為1%事祗匕0帆特力1.則X從到0度空史材，也由于13亳止,少出事OSI持力必住為赤4的0時* *甘導(dǎo)通 Q*由。美力山查尋盤於出*式生變化,nj a* T*內(nèi)3電格同地為國b所示電瓶此時告白從0財1交化.:工落&總工整容鼻1百注奇群其力上祎范觸/而且在&E釁期間，.X的空如第七次作業(yè)鎖存器(latch)和觸發(fā)器(flip-flop)區(qū)別？答：電平敏感的存儲器件稱為鎖存器?？煞譃楦唠娖芥i存器和低電平鎖存器，用于不同時鐘之間的信號同步。

13、有交叉耦合的門構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)的存儲原件稱為觸發(fā)器。分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)瞋 可以認為是兩個不同電平敏感的鎖存器串連而成。 前一個鎖存器決定了觸發(fā)器的建立時間， 后一 個鎖存器則決定了保持時間。什么是亞穩(wěn)態(tài)？為什么兩級觸發(fā)器可以防止亞穩(wěn)態(tài)傳播？這也是一個異步電路同步化的問題。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個規(guī)定的時間段內(nèi)到達一個可以確認的狀態(tài)。使用兩級觸發(fā)器來使異步電路同步化的電路其實叫做工位同步器：他只能用來對一位異步信號進行同步。兩級觸發(fā)器可防止亞穩(wěn)態(tài)傳播的原理：假設(shè)第一級觸發(fā)器的輸入不滿足其建立保持時間，它在第一個脈沖沿到來后輸出的數(shù)據(jù)就為亞穩(wěn)態(tài)，那么在下一個脈沖沿到來之前，其輸出的亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)

14、在一段恢復(fù)時間后必須穩(wěn)定下來，而且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)必須滿足第二級觸發(fā)器的建立時間，如果都滿足了，在下一個脈沖沿到來時，第二級觸發(fā)器將不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，因為其輸入端的數(shù)據(jù)滿足其建立保持時間。同步器有效的條件： 第一級觸發(fā)器進入亞穩(wěn)態(tài)后的恢復(fù)時間+第二級觸發(fā)器的建立時間=時鐘周期。更確切地說，輸入脈沖寬度必須大于同步時鐘周期與第一級觸發(fā)器所需的保持時間之和。保險的脈沖寬度是兩倍同步時鐘周期。所以，這樣的同步電路對于從較慢的時鐘域來的異步信號進入較快的時鐘域比較有效，對于進入一個較慢的時鐘域，則沒有作用。如圖所示是另一種CMOS施密特觸發(fā)器，分析其工作過程并推導(dǎo)輸出由低到高正向轉(zhuǎn)換電壓Vm+及由高到低的反向

15、轉(zhuǎn)換電壓Vm-,并畫出它的輸出特性曲線(磁滯回線)解：Vin=0 1:當(dāng)Vin=0時，輸出為高電平；將管 M6關(guān)斷，而M5導(dǎo)通;由于，VGSN1 =VinVgsN2%VGSN3 =VOUT -Vx當(dāng)VnT Vtn時,管M1導(dǎo)通而M2仍截止，此時輸出仍為高電平，故M5導(dǎo)通；M1和M5的分壓比決定了 Vx;因Vin較小，管M1工作在飽和區(qū)；又因VgN3=VdN3=VdD ,則管22M3也工作在飽和區(qū)，故有電流方程：KNi(Vin -Vtn ) = Kn3(Vdd -Vx -Vtn )而當(dāng)Vn =Vtn +Vx三V :施密特觸發(fā)器的正向閾值電平:v:T2)Vin=1 0:當(dāng) Vin=1. KN1R

16、一 Kn 3時，輸出為低電平；將管M5關(guān)斷，而M6導(dǎo)通；由于:GSP1 -Vin -VDDGSP2 =Vin _VyGSP3 =VOUT -Vy當(dāng)Vin T VDD VTP時，管M4導(dǎo)通而M5仍截止，此時輸出仍為低電平，故M6導(dǎo)通；M4和M6的分壓比決定了 Vy;因Vn較大，管M4工作在飽和區(qū)；又因Vgp3=Vdp3 = 0 ,則管M6也工作在飽和區(qū)，故有電流方程：22K P1 Vin -VdD - VtP - Kp3 Vout -Vy -Vtp而當(dāng)Vin =VtP +Vy三V 施密特觸發(fā)器的反向閾值電平:V=VTPVy-r(VddVtp)1 . JrKP1K P32.5Vx(V)in (V)

17、第八次作業(yè)1、從進位鏈角度考慮，寫出兩種以上加法器的結(jié)構(gòu)，并就功能做簡單評價 (如逐位進位加法器及曼切斯特進位加法器)L爪電每坐躺原號忠，胃出淅*以上加注修的結(jié)構(gòu).外就5晚做斯單博價.案 逐爐遺也加法正算夠蛇口“4”,遙位佗從一修“波動到另一級*夏獲將終的選驚，必殖出1注電踣至理酬的淅有Jtt目. 曼徹秘加法辦(MmMHCor)7 Chain)齡暮功香逑位仲幡可以逼過堵源進也產(chǎn)生(0),遺生蕭除(D)同建性代理tP)嶷筒牝.用R花的密【 如量F=3刷口 被他送給C0,如累P=U JM出或才曲信號6下拉,我才曲雄上驚. WEMr在候充電就段*07)N，管斑檢鏈中的防荷中阿切點植段充電網(wǎng)Vdd.在

18、充值 新俄.當(dāng)，入逮位且情號陛高電平時.或青豪卜區(qū)的地位產(chǎn)生9yio力電平時. p點d放電.垃H劉法的迸位產(chǎn)生速度就余加帙通霎.2、請比較EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY 結(jié)構(gòu)的異同4. Ullttt EPROM. EEPROM. FLASH MEMORY答照fflr均M于浮趣星體管異i堆除rm不同EPROM：通過輯外先尊除.紫外九事“透過在X化物利14中直授產(chǎn)生電于一空穴對方使這一以 ”精M號通.撐除過杈撿&耐久性.可B性不強結(jié)構(gòu)汽單.K 9E 1用屋體管（FAMOS EEPROMi電梯除果用一秒短過修改的輯為FLOTOX （floMi gue tuimeHag oxide

19、）晶體管的存（圖2）. 與FAMOS不同之處在于IM浮導(dǎo)向道和煙帽的能*介及的*便或少* Item 0更少.當(dāng)忽 一個用10V的電壓館到這一假卸的空層”,電子通過 -NWXfcn執(zhí)理V入豉0出M.只要定在寫過段中所怎的電壓改過來實現(xiàn)抑除但從海桃上移走過多的電為會唐成 越盡型b件.不就用標(biāo)位學(xué)我值號粕其美新.因儂須綣卻項外的a體管與浮&慕體皆 述,MBS 3.S 3 EEPROM 單兄S2 FLOTOX4體管Rb：快內(nèi)電厚*果用“制A電子注入的方法東也打。件.傅除MWDEEFROM一樣.采用FoMw-NoKbeiiD隨 零米完成.不同之處在于R3的那除5個名片戒存iW的子田分成M送行的xKui94 ETOXB件4.清比較心FR口M, LCFROMk FLA5H