課件半導體集成電路1

1、半導體集成電路學校：西安理工大學院系：自動化學院電子工程系專業(yè)：電子、微電時間：秋季學期2012/11/27MOS晶體管的小尺寸效應MOS晶體管的電容MOS晶體管的導通電阻2012/11/27基本要求非飽和區(qū)飽和區(qū) CW (VV)V 1 V2 (0VIV-V)DSoxGSTHDSDSL2DSGSTHID12WCV)2I(V(0 VGS-VTH RMOS則VOUT 0=VOL2012/11/27VRMOSVOUTR RDDMOSL2.VIN=VHIGHVDD時電阻負載型反相器電壓傳輸特性VOUTVDDRLVOUTVINRL增大VIN 隨著RL的增大，輸出低電平降低，邏輯閾值亦減小2012/11/

2、27反相器2012/11/27OUTPUT反相器中電阻的實現(xiàn)為了使反相器的傳輸特性好R負載在驅動管開關斷開時，負載電阻相對于開關的電阻足夠小輸出在驅動管開關閉合時，負載電阻相對于開關的電阻足夠大輸入驅動MOS晶體管的導通電阻隨管子的尺寸不同而不同，通常在K歐數(shù)量級，假設它為3K歐，負載電阻取它的10倍為30K歐，用多晶硅作負載電阻時，如多晶硅的線寬為2微米的話占面積很大，因此通常INPUT用MOS管做負載VDD電阻輸入輸入NMOS驅動管GND 占用面積過大2012/11/271. E/EMOS反相器（介紹飽和MOS負載反相器）工作在飽和區(qū)n 負載管Lout n 驅動管DVds=VgsVgs-V

3、thV0INin導通1CW (V)2IL有比電路VIDSDDTHT2012/11/271W1D 為使V2OL接近0，要求gmLgmDOUL2V 1 gmL (VV)OL2 gDDTHLG2mDLVOH VDD VTHLE/EMOS反相器電壓傳輸特性VOUTVDD-VTnoutinngmL/gmI減小VIN2012/11/272. E/DMOS反相器采用耗盡型，VGS=0時,一直工作處于導通狀態(tài)n MD驅VIN0DDoutin2n飽和導通VMEVOLTDW )2IVV2K(V)LDSDDTDRDDTEW1 C2VTEVTE )VOUT 2 VOUTID() Vx ( L )I (VDD C(W

4、)SE有比電路noxELKR C(W )noxDL2012/11/27VOH VDDE/DMOS反相器電壓傳輸特性VDDnoutinnKR減小2012/11/273. CMOS反相器由PMOS和NMOS所組成的互補型電路叫做CMOSVinVoutC：complementaryCMOS電路的特點：低功耗2012/11/27CMOS反相器工作原理當輸入電壓Vin為高電平時，PMOS截止，NMOS導通，Vout=0 VOL=0當輸入電壓Vin為低電平時，PMOS導通，NMOS截止，Vout=VDD VOH=VDDVVinout2012/11/27在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止

5、一個導通，因此沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。這是 CMOS電路低功耗的主要原因。CMOS電路的最大特點之一是低功耗。CMOS反相器的傳輸特性(3)VDD-VGS=VDD-Vin(1)(5)(4)(2)N截止 P非飽和N飽和 P非飽和N非飽N非飽-VDS=VDD-VoutVout和和P飽和P截止VinVDS=VoutV=VGSin0VDDVinNMOSVinVtnVin-VtnVoutPMOS(VDD-Vin) VDD (VDD-Vin) +Vtp VDD截止飽和截止-Vout-Vout非飽和 飽和 非飽和 2012/11/27VoutCMOS

6、反相器的幾個重要參數(shù)VoutdVout 1VOHdVinVout=VindVout 1dVinVOLVinVIHVILVM2012/11/27-VGS=VDD-Vin1. VIL的計算-VDS=VDD-VoutVoutVindVout1性區(qū)VIN=VILdVinN管工作在飽和區(qū),P管工作VGS=VinV( VV )V22V ()V DDPDD(3)dVK N(Vtou 1dVin(1)(5)(4)(2)對Vin求導，得2VN (dVNP 2KDD|P VoutKV()dVin)N截止 P非飽和N飽和 P非飽和N非飽N非飽dV和和V)(V 1) V (V)(outP飽和P截止DDoutoutDD

7、outdVin,得dV1，且V =VKN令KR inILdVKdVP 1toudVin(2)0VDDVIHVVIL由（1）（2）式聯(lián)立可求得VILin/2712012/1VoutinV 2 outVTP VDDR kTNVVIL1 kRP DDoutDDoutVN(1)-VGS=VDD-Vin2. VIH的計算-VDS=VDD-VoutVoutVindVout1VIN=VIHdVinN管工作性區(qū),P管工作在飽和區(qū)V=VGSin) V K2VV NKNouto2(3)dVtouVDD( VV 1（1）PDDdVin(1)(5)(4)(2)對Vin求導，得dVdVoutV)V2 K(VN )(ou

8、tN截止 P非飽和N飽和 P非飽和N非飽N非飽NoutoutdVindVin和和K2PV(DDVP|)P飽和P截止dVout1，且V =V令,得inIHdVindVtou 1)V（2）dVin0VDDVIHVVIL由（1）（2）式聯(lián)立可求得VIHin/2712012/1Vout2utPVDDVTP Rk(2oVutTNVIH1 kR3.邏輯閾值的計算-VGS=VDD-VinVDD-VDS=VDD-VoutVoutVinVMVGS=VinVINN管和P工作在飽和區(qū)2V 2KV (K (|)VNNPDDPKR令 V=V得Min/2712012/1V DDVTP VTNVM1KR邏輯閾值與晶體管尺寸

9、的關系1.81.70.25um晶體管 VDD=2.5v1.61.51.41.31.2PMOS大1.110.9NMOS大0.8011010W p /Wn2012/11/27V(V)MCMOS反相器的噪聲容限outVV 2VVILHVOVHNMNMV1 kLILOLIHRVDDVVV)VIH1 kR考慮一個具有如下參數(shù)的CMOS反相器電路：例VDD6VTn, VTp0 . V7V3.3 V,0.,計算電路的噪聲容限/2712012/1最小允許電壓VIH最大允許電壓VILVOHVOLVOHVOL噪聲噪聲2012/11/271高噪聲容限VIHVOHVNMLVIL低噪聲容限 VOL0Gate Input

10、Gate OutputVNML=VIL-VOL VNMH=VOH-VIH2012/11/27不定區(qū)VNMHVinVoutVDD有效高電平輸出VOH輸入高電平有效范圍噪聲NMH=VOH-VIH高噪聲容限VIH過渡區(qū)VILNMH=VOH-VIH低噪聲容限輸入低電平有效范圍噪聲VOL有效低電平輸出0噪聲幅值VOLVIL噪聲幅值VIHVOH噪聲幅值噪聲幅值VIL-VOLVOH-VIH2012/11/27低電平高電平2.能力2012/11/27VO(V)VO(V)VO(V)VOHVOHVOHVOLVOLVOLVILVILVILVIHVIHVIHVi(V)Vi(V)Vi(V)VOHVNMHVNMH=VOH

11、-VIHVNML=VIL-VOLVLVNMLVOLVILVIHVi(V)2012/11/27VO(V)解: 對于CMOS反相器來說,VOL=0V,VOH=3.3V VTp VDD KRVTn 2VoutVIL1 KR 0.7 3.3 1.5 0.57V 2Vout 0.71out1 2.5當VIN=VIL時,nMOS管工作在飽和區(qū),pMOS管工作性區(qū)則V 有2 : ( V|V (V2V ) 2KV)V) VPDDPDDoutDDoutNN0.40 710 .V 7)(3V(3V.32) Vout (203.)100.5outoutout2012/11/27 0.05V 6.65 020.66V

12、outout0.05 0.052 4 0.66 6.65Vout 2 0.660.05 4.192 0.66 3.14V 3.17VVout1out 2 3.14VVoutV 0.57Vout 0.71 1.08V VIL2012/11/27 VTp KR (2Vout VTn ) VDDVIH1 KR 3.3 0.7 2.5(2Vout 0.6) 1.43V 1.17out1 2.5當VIN=VIH時,nMOS管工作性區(qū),pMOS管工作在飽和區(qū)22()V則有V:2KVK (|) VNNoutoutPDDPV 2 .170)V (143231V.6403V .3.outoutoutout2012/11/271002(1.43V1.17 0.6)VV2 40(3.3 1.