數(shù)字集成電路基本單元課件

1第九章數(shù)字集成電路基本單元與版圖9.1TTL基本電路9.2CMOS基本門電路及版圖實現(xiàn)9.3數(shù)字電路標準單元庫設計9.4焊盤輸入輸出單元9.5了解CMOS存儲器1第九章數(shù)字集成電路基本單元與版圖9.1TTL基本電路29.1TTL基本電路

圖9.1TTL反相器的基本電路

29.1TTL基本電路圖9.1TTL反相器的基本3圖9.3具有多發(fā)射極晶體管的3輸入端與非門電路：（a）電路圖，（b）符號3圖9.3具有多發(fā)射極晶體管的3輸入端與非門電路：4圖9.4TTL或非門(a)電路圖(b)符號

4圖9.4TTL或非門(a)電路圖(b)符號59.2CMOS反相器1.電路圖標準的CMOS反相器電路如圖所示。注意1：NMOS和PMOS的襯底是分開的，NMOS的襯底接最低電位地，PMOS的襯底接最高電位Vdd。59.2CMOS反相器1.電路圖6注意2：NMOS的源極接地，漏極接高電位；PMOS的源極接Vdd，漏極接低電位。注意3：輸入信號Vi對兩管來說，都是加在g和s之間，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接Vdd，所以Vi對兩管來說參考電位是不同的。6注意2：72.轉(zhuǎn)移特性

在分析CMOS反相器的特性時，注意如下事實：在電路中，PMOS和NMOS地位對等，功能互補它們都是驅(qū)動管，都是有源開關，部分的互為負載：它們都是增強型MOSFET對于NMOS有對于PMOS有對輸入和輸出信號而言，PMOS和NMOS是并聯(lián)的Vi<Vtn截止Vi>Vtn導通Vi>Vdd-|Vtp|截止Vi<Vdd-|Vtp|導通72.轉(zhuǎn)移特性在分析CMOS反相器的特性時，注意如下事82.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）在直流電路上，PMOS和NMOS串聯(lián)連接在Vdd和地之間，因而有Idsn從NMOS的d流向s，是正值,Idsp從PMOS的d流向s，是負值。Vdsn-Vdsp=Vdd82.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）在直流電路上，PMOS和NMOS串聯(lián)92.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）

把PMOS視為NMOS的負載，可以像作負載線一樣，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲線上。如圖所示92.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）把PMOS視為NMOS的負載，可以10轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）整個工作區(qū)可以分為五個區(qū)域來討論：1.A區(qū)：0ViVtnNMOS截止Idsn=0PMOS導通Vdsn=VddVdsp=0

等效電路如右圖所示。10轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）整個工作區(qū)可以分為五個區(qū)域來討論：11轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）2.B區(qū)：Vtn

Vi?VddNMOS導通，處于飽和區(qū)，等效于一個電流源：

稱之為NMOS平方率跨導因子。

PMOS等效于非線性電阻：

稱之為PMOS平方率跨導因子。在Idsn的驅(qū)動下，Vdsn自Vdd下降,|Vdsp|自0V開始上升。等效電路如圖所示。11轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）2.B區(qū)：VtnVi?Vd12轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）3.C區(qū)：Vi?VddNMOS導通，處于飽和區(qū)，PMOS也導通，處于飽和區(qū)，均等效于一個電流源，等效電路如右圖所示。此時有，12轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）3.C區(qū)：Vi?Vdd13轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）兩個電流必須相等，即Idsn=

Isdp，所以

如果n=p，且有Vtn=-Vtp，則有

Vi=Vdd/2但是，n

(2-3)p，所以應有Wp/Lp2.5Wn/Ln由n=p，Vtn=-Vtp和Vi=Vdd/2，應有VO=Vdd/213轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）兩個電流必須相等，即Idsn=Isd14轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）比(n/p)對轉(zhuǎn)移特性的影響，如下圖所示。14轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）比(n/p)對轉(zhuǎn)移特性的影響，如下15轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）4.D區(qū)：Vdd/2ViVdd/2

+Vtp與B區(qū)情況相反：PMOS導通，處于飽和區(qū)，等效一個電流源：NMOS強導通，等效于非線性電阻：

等效電路如圖所示。15轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）4.D區(qū)：Vdd/2ViV16轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）5.E區(qū)：Vi

Vdd

+VtpPMOS截止，

NMOS導通。Vdsn=0|Vdsp|=VddIdsp=0

等效電路如圖所示。16轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）5.E區(qū)：ViVdd+Vtp17轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）綜合上述討論，CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)態(tài)支路電流如圖所示。

17轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）綜合上述討論，CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)18轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）PMOS和NMOS在5個區(qū)域中的定性導電特性。18轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）PMOS和NMOS在5個區(qū)域中的定性導電特19轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于數(shù)字信號，CMOS反相器靜態(tài)時，或工作在A區(qū)，或工作在E區(qū)。此時有：Vi=0 (I=0) Vo=Vdd (O=1)Vi=Vdd (I=1) Vo=0 (O=0)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)時，有：

(I=0)(I=1) (I=1)(I=0)Is-s0Ptr0

Is-s=0Pdc=019轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于數(shù)字信號，CMOS反相器靜態(tài)時，或工作20轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于模擬信號，CMOS反相器必須工作在B區(qū)和D區(qū)之間，反相器支路始終有電流流通，所以

Is-s>0，Pdc>0

。20轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于模擬信號，CMOS反相213.CMOS反相器的瞬態(tài)特性研究瞬態(tài)特性與研究靜態(tài)特性不同的地方在于必須考慮負載電容（下一級門的輸入電容）的影響。脈沖電路上升，下降和延遲時間的定義，即如圖所示。tr：(Vo=10%VomaxVo=90%Vomax)tf：(Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)td：(Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)213.CMOS反相器的瞬態(tài)特性研究瞬態(tài)22i)Vi從1到0,CL充電。在此過程中，NMOS和PMOS源、漏極間電壓的變化過程為：Vdsn：0Vdd|Vdsp|：Vdd0，即123原點CMOS反相器的瞬態(tài)特性22i)Vi從1到0,CL充電。CMOS反相器的瞬態(tài)23考慮到上拉管導通時先為飽和狀態(tài)而后為非飽和狀態(tài)，故輸出脈沖上升時間可分為兩段來計算。CMOS反相器的瞬態(tài)特性﹤23考慮到上拉管導通時先為飽和狀態(tài)而后為非飽24a、飽和狀態(tài)時

假定VC(0)=0,恒流充電時間段有

積分得，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性24a、飽和狀態(tài)時CMOS反相器的瞬態(tài)特性25b、非飽和狀態(tài)時線性充電時間段有，

積分得，

經(jīng)變量代換，部分分式展開，可得，

總的充電時間為，

tr=tr1+tr2

如果Vtp=-0.2Vdd，則

CMOS反相器的瞬態(tài)特性25b、非飽和狀態(tài)時CMOS反相器的瞬態(tài)特性26ii)Vi從0到1,CL放電

NMOS的導通電流開始為飽和狀態(tài)而后轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，故與上面類似，輸出脈沖的下降時間也可分為兩段來計算。如圖所示。CMOS反相器的瞬態(tài)特性26ii)Vi從0到1,CL放電CMOS反相器的瞬態(tài)特27a、飽和狀態(tài)假定VC(0)=Vdd，恒流放電時間段有，

積分得，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性27a、飽和狀態(tài)CMOS反相器的瞬態(tài)特性28b、非飽和狀態(tài)線性放電時間段有，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性28b、非飽和狀態(tài)CMOS反相器的瞬態(tài)特性29總的放電時間為

tf

=tf1+tf2

如果Vtn=0.2Vdd，則

如果Vtn=|Vtp|，bn=bp，則

tr=tfCMOS的輸出波形將是對稱的。CMOS反相器的瞬態(tài)特性29總的放電時間為CMOS反相器的瞬態(tài)特性30反相器電路圖到符號電路版圖的轉(zhuǎn)換（a）電路圖，（b）漏極連線，（c）電源與地線連線，（d）柵極與輸入輸出連線30反相器電路圖到符號電路版圖的轉(zhuǎn)換（a）電路圖，（b）漏31圖9.20各種形式的反相器版圖（a）垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)，（b）水平走向MOS管結(jié)構(gòu)，（c）金屬線從管子中間穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)，（d）金屬線從管子上下穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)（e）有多晶硅線穿過的垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)31圖9.20各種形式的反相器版圖（a）垂直走向MOS32并聯(lián)反相器版圖（a）直接并聯(lián)，（b）共用漏區(qū)，（c）星狀連接32并聯(lián)反相器版圖（a）直接并聯(lián)，（b）共用漏區(qū)，（c）33CMOS與非門和或非門與非門和或非門電路：（a）二輸入與非門，（b）二輸入或非門

33CMOS與非門和或非門與非門和或非門電路：（a）二輸入34與非門的版圖（a）按電路圖轉(zhuǎn)換，（b）MOS管水平走向設計34與非門的版圖（a）按電路圖轉(zhuǎn)換，（b）MOS管水平走向35或非門版圖（a）輸入向右引線，（b）輸入向上引線35或非門版圖（a）輸入向右引線，（b）輸入向上引線36CMOS傳輸門和開關邏輯工作原理

傳輸門：（a）電路（b）符號;開關邏輯與或門36CMOS傳輸門和開關邏輯工作原理37工作原理

(續(xù))（a）“異或”和（b）“異或非”門電路37工作原理(續(xù))（a）“異或”和（b）“異或非”門電路38工作原理

(續(xù))不同功能的線或電路：（a）電路圖，（b）邏輯圖

38工作原理(續(xù))不同功能的線或電路：（a）電路圖，（b）39CMOS傳輸門版圖實現(xiàn)39CMOS傳輸門版圖實現(xiàn)40三態(tài)門：（a）常規(guī)邏輯門結(jié)構(gòu)，（b）帶傳輸門結(jié)構(gòu)

三態(tài)門40三態(tài)門：（a）常規(guī)邏輯門結(jié)構(gòu)，（b）帶傳輸門結(jié)構(gòu)三態(tài)門41三態(tài)門版圖41三態(tài)門版圖42驅(qū)動電路驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖

42驅(qū)動電路驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖43驅(qū)動電路版圖43驅(qū)動電路版圖449.3數(shù)字電路標準單元庫設計基本原理標準單元設計流程圖

449.3數(shù)字電路標準單元庫設計基本原理45庫單元設計標準單元庫中的單元電路是多樣化的，通常包含上百種單元電路，每種單元的描述內(nèi)容都包括：（1）邏輯功能；（2）電路結(jié)構(gòu)與電學參數(shù)；（3）版圖與對外連接端口的位置；對于標準單元設計EDA系統(tǒng)而言，標準單元庫應包含以下三個方面的內(nèi)容：（1）邏輯單元符號庫與功能單元庫；（2）拓撲單元庫；（3）版圖單元庫。45庫單元設計標準單元庫中的單元電46庫單元設計(續(xù))下圖給出了一個簡單反相器的邏輯符號、單元拓撲和單元版圖（a）邏輯符號 （b）單元拓撲 （c）單元版圖

46庫單元設計(續(xù))下圖給出了一個簡單反相器的邏輯符號、單479.4焊盤輸入輸出單元9.4.1輸入單元輸入單元主要承擔對內(nèi)部電路的保護，一般認為外部信號的驅(qū)動能力足夠大，輸入單元不必具備再驅(qū)動功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸入保護電路。為防止器件被擊穿，必須為這些電荷提供“泄放通路”，這就是輸入保護電路。輸入保護分為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)。479.4焊盤輸入輸出單元9.4.1輸入單元48輸入單元(續(xù))單二極管、電阻電路雙二極管、電阻保護電路

48輸入單元(續(xù))單二極管、電阻電路499.4.2輸出單元A.反相輸出I/O

PAD顧名思義，反相輸出就是內(nèi)部信號經(jīng)反相后輸出。這個反相器除了完成反相的功能外，另一個主要作用是提供一定的驅(qū)動能力。圖9.37是一種p阱硅柵CMOS結(jié)構(gòu)的反相輸出單元，由版圖可見構(gòu)造反相器的NMOS管和PMOS管的尺寸比較大，因此具有較大的驅(qū)動能力。499.4.2輸出單元A.反相輸出I/OPAD50輸出單元(續(xù))p阱硅柵CMOS反相輸出I/O

PAD50輸出單元(續(xù))p阱硅柵CMOS反相輸出I/OPAD51輸出單元(續(xù))去鋁后的反相器版圖

51輸出單元(續(xù))去鋁后的反相器版圖52輸出單元(續(xù))大尺寸NMOS管版圖結(jié)構(gòu)和剖面52輸出單元(續(xù))大尺寸NMOS管版圖結(jié)構(gòu)和剖面53輸出單元(續(xù))反相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)假設反相器的輸入電容等于Cg，則當它驅(qū)動一個輸入電容為f·Cg的反相器達到相同的電壓值所需的時間為f·τ。如果負載電容CL和Cg的CL/Cg=Y時，則直接用內(nèi)部反相器驅(qū)動該負載電容所產(chǎn)生的總延遲時間為ttol=Y·τ。如果采用反相器鏈的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，器件的尺寸逐級放大f倍，則每一級所需的時間都是f·τ，N級反相器需要的總時間是N·f·τ。由于每一級的驅(qū)動能力放大f倍，N級反相器的驅(qū)動能力就放大了fN倍，所以fN＝Y(jié)。對此式兩邊取對數(shù)，得：

N=lnY/lnf反相器鏈的總延遲時間ttol=N*f*τ=(f/lnf)*τ*lnY

53輸出單元(續(xù))反相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)54輸出單元(續(xù))直接驅(qū)動和反相器鏈驅(qū)動負載時的延遲時間曲線

54輸出單元(續(xù))直接驅(qū)動和反相器鏈驅(qū)動負載時的延遲時間曲55輸出單元(續(xù))B.同相輸出I/O

PAD同相輸出實際上就是“反相＋反相”，或采用類似于圖9.40所示的偶數(shù)級的反相器鏈。為什么不直接從內(nèi)部電路直接輸出呢？主要是驅(qū)動能力問題。利用鏈式結(jié)構(gòu)可以大大地減小內(nèi)部負荷。即內(nèi)部電路驅(qū)動一個較小尺寸的反相器，這個反相器再驅(qū)動大的反相器，在同樣的內(nèi)部電路驅(qū)動能力下才能獲得較大的外部驅(qū)動。55輸出單元(續(xù))B.同相輸出I/OPAD56輸出單元(續(xù))C.三態(tài)輸出I/O

PAD所謂三態(tài)輸出是指單元除了可以輸出“0”，“1”邏輯外，還可高阻輸出，即單元具有三種輸出狀態(tài)。同樣，三態(tài)輸出的正常邏輯信號也可分為反相輸出和同相輸出。圖9.42是一個同相三態(tài)輸出的電路單元的結(jié)構(gòu)圖。同相三態(tài)輸出單元電路結(jié)構(gòu)

56輸出單元(續(xù))C.三態(tài)輸出I/OPAD57輸出單元(續(xù))同相三態(tài)輸出單元版圖57輸出單元(續(xù))同相三態(tài)輸出單元版圖58輸出單元(續(xù))D.漏極開路輸出單元漏極開路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的線邏輯58輸出單元(續(xù))D.漏極開路輸出單元599.4.3輸入輸出雙向三態(tài)單元（I/OPAD）在許多應用場合，需要某些數(shù)據(jù)端同時具有輸入、輸出的功能，或者還要求單元具有高阻狀態(tài)。在總線結(jié)構(gòu)的電子系統(tǒng)中使用的集成電路常常要求這種I/O

PAD。輸入、輸出雙向三態(tài)單元電路原理圖

599.4.3輸入輸出雙向三態(tài)單元（I/OPAD）在許609.5了解CMOS存儲器半導體存儲器類型一覽

609.5了解CMOS存儲器半導體存儲器類型一覽61存儲單元的等效電路(a)DRAM；(b)SRAM；(c)掩膜型(熔絲)ROM；(d)EPROM(EEPROM)；(e)FRAM61存儲單元的等效電路(a)DRAM；(b)SRAM；(c629.5.1動態(tài)隨機存儲器（DRAM）A.DRAM單元的歷史演變過程(a)含兩個存儲節(jié)點的四晶體管DRAM單元；(b)含兩條位線和兩條字線的三晶體管DRAM單元；(c)含兩條位線和一條字線的雙晶體管DRAM單元；(d)含一條位線和一條字線的單晶體管DRAM單元629.5.1動態(tài)隨機存儲器（DRAM）A.DRAM單63三晶體管DRAM單元的工作原理上拉和讀寫電路的三晶體管DRAM單元

63三晶體管DRAM單元的工作原理64工作原理(續(xù)）對三晶體管DRAM單元進行四個連續(xù)操作：寫入“l(fā)”，讀取“1”，寫入“0”和讀取“0”時的典型電壓波形在預充電周期電流通過MPl和MP2開始對列電容C2和C3進行充電

64工作原理(續(xù)）對三晶體管DRAM單元進行四個連續(xù)操作：寫65工作原理(續(xù)）在寫“l(fā)”時序中電容Cl和C2的電荷共享在讀取“l(fā)”過程中列電容C3通過晶體管M2和M3進行放電

65工作原理(續(xù)）在寫“l(fā)”時序中電容Cl和C2的電荷共享66工作原理(續(xù)）在寫‘‘0”時序過程中C1和C2通過M1和數(shù)據(jù)寫入晶體管放電在讀取“0”過程中列電容C3不放電

66工作原理(續(xù)）在寫‘‘0”時序過程中C1和C2通過M1和67單晶體管DRAM單元的工作過程

(a)帶選取線路的典型單晶體管(1-T)DRAM單元；(b)帶控制電路的單晶體管DRAM單元陣列的存儲結(jié)構(gòu)67單晶體管DRAM單元的工作過程(a)帶選取線路的典型單689.5.2靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）靜態(tài)RAM單元的各種結(jié)構(gòu)。689.5.2靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）靜態(tài)RAM單元的69CMOSSRAM單元的電路拓撲結(jié)構(gòu)

69CMOSSRAM單元的電路拓撲結(jié)構(gòu)709.5.3閃存閃存單元由一個帶浮柵的晶體管構(gòu)成，該晶體管的閾值電壓可通過在其柵極上施加電場而被反復改變(編程)。

閃存存儲器的數(shù)據(jù)編程及擦除方法(a)熱電子注入法(b)Fowler-Nordheim隧穿法

709.5.3閃存閃存單元由一個帶浮柵的晶體管構(gòu)成，該晶71閃存單元的等效耦合電容電路

當給控制柵極和漏極加電壓(VCG和VD)時，浮柵的電壓(VFG)可以用耦合電容表示為：QFG為存儲在浮柵中的電荷，Ctotal為總電容，CFC為浮柵和控制柵之間的電容，CFS，CFB和CFD是浮柵和源極、浮柵和本體、浮柵和漏極之間的電容，VCG和VD分別為控制柵和漏極的電壓。

71閃存單元的等效耦合電容電路當給控制柵極和漏極加電壓(V72閃存單元的等效耦合電容電路（續(xù)）用VT(FG)代替式(9.26)中的VFG并整理可得到導通控制柵晶體管的最小控制柵極電壓(VCG)如下：其中，VT

(FG)為導通浮柵晶體管的閾值電壓。同樣，兩種數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)(“0”和“l(fā)”)的閾值電壓差可表示為：72閃存單元的等效耦合電容電路（續(xù)）用VT(FG)代替式(73控制柵壓具有低和高閾值電壓的閃存單元的I-V特性曲線

73控制柵壓具有低和高閾值電壓的閃存單元的I-V特性曲線74思考題1．畫出CMOS標準反相器的電路圖和版圖。2．畫出二輸入CMOS與非門和或非門的電路圖和版圖。3．負載為大尺寸器件時，如何考慮前級電路的驅(qū)動能力？4．列出CMOS存儲器的分類和各自的特點。74思考題1．畫出CMOS標準反相器的電路圖和版圖。75第九章數(shù)字集成電路基本單元與版圖9.1TTL基本電路9.2CMOS基本門電路及版圖實現(xiàn)9.3數(shù)字電路標準單元庫設計9.4焊盤輸入輸出單元9.5了解CMOS存儲器1第九章數(shù)字集成電路基本單元與版圖9.1TTL基本電路769.1TTL基本電路

圖9.1TTL反相器的基本電路

29.1TTL基本電路圖9.1TTL反相器的基本77圖9.3具有多發(fā)射極晶體管的3輸入端與非門電路：（a）電路圖，（b）符號3圖9.3具有多發(fā)射極晶體管的3輸入端與非門電路：78圖9.4TTL或非門(a)電路圖(b)符號

4圖9.4TTL或非門(a)電路圖(b)符號799.2CMOS反相器1.電路圖標準的CMOS反相器電路如圖所示。注意1：NMOS和PMOS的襯底是分開的，NMOS的襯底接最低電位地，PMOS的襯底接最高電位Vdd。59.2CMOS反相器1.電路圖80注意2：NMOS的源極接地，漏極接高電位；PMOS的源極接Vdd，漏極接低電位。注意3：輸入信號Vi對兩管來說，都是加在g和s之間，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接Vdd，所以Vi對兩管來說參考電位是不同的。6注意2：812.轉(zhuǎn)移特性

在分析CMOS反相器的特性時，注意如下事實：在電路中，PMOS和NMOS地位對等，功能互補它們都是驅(qū)動管，都是有源開關，部分的互為負載：它們都是增強型MOSFET對于NMOS有對于PMOS有對輸入和輸出信號而言，PMOS和NMOS是并聯(lián)的Vi<Vtn截止Vi>Vtn導通Vi>Vdd-|Vtp|截止Vi<Vdd-|Vtp|導通72.轉(zhuǎn)移特性在分析CMOS反相器的特性時，注意如下事822.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）在直流電路上，PMOS和NMOS串聯(lián)連接在Vdd和地之間，因而有Idsn從NMOS的d流向s，是正值,Idsp從PMOS的d流向s，是負值。Vdsn-Vdsp=Vdd82.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）在直流電路上，PMOS和NMOS串聯(lián)832.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）

把PMOS視為NMOS的負載，可以像作負載線一樣，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲線上。如圖所示92.轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）把PMOS視為NMOS的負載，可以84轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）整個工作區(qū)可以分為五個區(qū)域來討論：1.A區(qū)：0ViVtnNMOS截止Idsn=0PMOS導通Vdsn=VddVdsp=0

等效電路如右圖所示。10轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）整個工作區(qū)可以分為五個區(qū)域來討論：85轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）2.B區(qū)：Vtn

Vi?VddNMOS導通，處于飽和區(qū)，等效于一個電流源：

稱之為NMOS平方率跨導因子。

PMOS等效于非線性電阻：

稱之為PMOS平方率跨導因子。在Idsn的驅(qū)動下，Vdsn自Vdd下降,|Vdsp|自0V開始上升。等效電路如圖所示。11轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）2.B區(qū)：VtnVi?Vd86轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）3.C區(qū)：Vi?VddNMOS導通，處于飽和區(qū)，PMOS也導通，處于飽和區(qū)，均等效于一個電流源，等效電路如右圖所示。此時有，12轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）3.C區(qū)：Vi?Vdd87轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）兩個電流必須相等，即Idsn=

Isdp，所以

如果n=p，且有Vtn=-Vtp，則有

Vi=Vdd/2但是，n

(2-3)p，所以應有Wp/Lp2.5Wn/Ln由n=p，Vtn=-Vtp和Vi=Vdd/2，應有VO=Vdd/213轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）兩個電流必須相等，即Idsn=Isd88轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）比(n/p)對轉(zhuǎn)移特性的影響，如下圖所示。14轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）比(n/p)對轉(zhuǎn)移特性的影響，如下89轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）4.D區(qū)：Vdd/2ViVdd/2

+Vtp與B區(qū)情況相反：PMOS導通，處于飽和區(qū)，等效一個電流源：NMOS強導通，等效于非線性電阻：

等效電路如圖所示。15轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）4.D區(qū)：Vdd/2ViV90轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）5.E區(qū)：Vi

Vdd

+VtpPMOS截止，

NMOS導通。Vdsn=0|Vdsp|=VddIdsp=0

等效電路如圖所示。16轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）5.E區(qū)：ViVdd+Vtp91轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）綜合上述討論，CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)態(tài)支路電流如圖所示。

17轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）綜合上述討論，CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)92轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）PMOS和NMOS在5個區(qū)域中的定性導電特性。18轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）PMOS和NMOS在5個區(qū)域中的定性導電特93轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于數(shù)字信號，CMOS反相器靜態(tài)時，或工作在A區(qū)，或工作在E區(qū)。此時有：Vi=0 (I=0) Vo=Vdd (O=1)Vi=Vdd (I=1) Vo=0 (O=0)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)時，有：

(I=0)(I=1) (I=1)(I=0)Is-s0Ptr0

Is-s=0Pdc=019轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于數(shù)字信號，CMOS反相器靜態(tài)時，或工作94轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于模擬信號，CMOS反相器必須工作在B區(qū)和D區(qū)之間，反相器支路始終有電流流通，所以

Is-s>0，Pdc>0

。20轉(zhuǎn)移特性（續(xù)）對于模擬信號，CMOS反相953.CMOS反相器的瞬態(tài)特性研究瞬態(tài)特性與研究靜態(tài)特性不同的地方在于必須考慮負載電容（下一級門的輸入電容）的影響。脈沖電路上升，下降和延遲時間的定義，即如圖所示。tr：(Vo=10%VomaxVo=90%Vomax)tf：(Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)td：(Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)213.CMOS反相器的瞬態(tài)特性研究瞬態(tài)96i)Vi從1到0,CL充電。在此過程中，NMOS和PMOS源、漏極間電壓的變化過程為：Vdsn：0Vdd|Vdsp|：Vdd0，即123原點CMOS反相器的瞬態(tài)特性22i)Vi從1到0,CL充電。CMOS反相器的瞬態(tài)97考慮到上拉管導通時先為飽和狀態(tài)而后為非飽和狀態(tài)，故輸出脈沖上升時間可分為兩段來計算。CMOS反相器的瞬態(tài)特性﹤23考慮到上拉管導通時先為飽和狀態(tài)而后為非飽98a、飽和狀態(tài)時

假定VC(0)=0,恒流充電時間段有

積分得，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性24a、飽和狀態(tài)時CMOS反相器的瞬態(tài)特性99b、非飽和狀態(tài)時線性充電時間段有，

積分得，

經(jīng)變量代換，部分分式展開，可得，

總的充電時間為，

tr=tr1+tr2

如果Vtp=-0.2Vdd，則

CMOS反相器的瞬態(tài)特性25b、非飽和狀態(tài)時CMOS反相器的瞬態(tài)特性100ii)Vi從0到1,CL放電

NMOS的導通電流開始為飽和狀態(tài)而后轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，故與上面類似，輸出脈沖的下降時間也可分為兩段來計算。如圖所示。CMOS反相器的瞬態(tài)特性26ii)Vi從0到1,CL放電CMOS反相器的瞬態(tài)特101a、飽和狀態(tài)假定VC(0)=Vdd，恒流放電時間段有，

積分得，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性27a、飽和狀態(tài)CMOS反相器的瞬態(tài)特性102b、非飽和狀態(tài)線性放電時間段有，

CMOS反相器的瞬態(tài)特性28b、非飽和狀態(tài)CMOS反相器的瞬態(tài)特性103總的放電時間為

tf

=tf1+tf2

如果Vtn=0.2Vdd，則

如果Vtn=|Vtp|，bn=bp，則

tr=tfCMOS的輸出波形將是對稱的。CMOS反相器的瞬態(tài)特性29總的放電時間為CMOS反相器的瞬態(tài)特性104反相器電路圖到符號電路版圖的轉(zhuǎn)換（a）電路圖，（b）漏極連線，（c）電源與地線連線，（d）柵極與輸入輸出連線30反相器電路圖到符號電路版圖的轉(zhuǎn)換（a）電路圖，（b）漏105圖9.20各種形式的反相器版圖（a）垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)，（b）水平走向MOS管結(jié)構(gòu)，（c）金屬線從管子中間穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)，（d）金屬線從管子上下穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)（e）有多晶硅線穿過的垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)31圖9.20各種形式的反相器版圖（a）垂直走向MOS106并聯(lián)反相器版圖（a）直接并聯(lián)，（b）共用漏區(qū)，（c）星狀連接32并聯(lián)反相器版圖（a）直接并聯(lián)，（b）共用漏區(qū)，（c）107CMOS與非門和或非門與非門和或非門電路：（a）二輸入與非門，（b）二輸入或非門

33CMOS與非門和或非門與非門和或非門電路：（a）二輸入108與非門的版圖（a）按電路圖轉(zhuǎn)換，（b）MOS管水平走向設計34與非門的版圖（a）按電路圖轉(zhuǎn)換，（b）MOS管水平走向109或非門版圖（a）輸入向右引線，（b）輸入向上引線35或非門版圖（a）輸入向右引線，（b）輸入向上引線110CMOS傳輸門和開關邏輯工作原理

傳輸門：（a）電路（b）符號;開關邏輯與或門36CMOS傳輸門和開關邏輯工作原理111工作原理

(續(xù))（a）“異或”和（b）“異或非”門電路37工作原理(續(xù))（a）“異或”和（b）“異或非”門電路112工作原理

(續(xù))不同功能的線或電路：（a）電路圖，（b）邏輯圖

38工作原理(續(xù))不同功能的線或電路：（a）電路圖，（b）113CMOS傳輸門版圖實現(xiàn)39CMOS傳輸門版圖實現(xiàn)114三態(tài)門：（a）常規(guī)邏輯門結(jié)構(gòu)，（b）帶傳輸門結(jié)構(gòu)

三態(tài)門40三態(tài)門：（a）常規(guī)邏輯門結(jié)構(gòu)，（b）帶傳輸門結(jié)構(gòu)三態(tài)門115三態(tài)門版圖41三態(tài)門版圖116驅(qū)動電路驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖

42驅(qū)動電路驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖117驅(qū)動電路版圖43驅(qū)動電路版圖1189.3數(shù)字電路標準單元庫設計基本原理標準單元設計流程圖

449.3數(shù)字電路標準單元庫設計基本原理119庫單元設計標準單元庫中的單元電路是多樣化的，通常包含上百種單元電路，每種單元的描述內(nèi)容都包括：（1）邏輯功能；（2）電路結(jié)構(gòu)與電學參數(shù)；（3）版圖與對外連接端口的位置；對于標準單元設計EDA系統(tǒng)而言，標準單元庫應包含以下三個方面的內(nèi)容：（1）邏輯單元符號庫與功能單元庫；（2）拓撲單元庫；（3）版圖單元庫。45庫單元設計標準單元庫中的單元電120庫單元設計(續(xù))下圖給出了一個簡單反相器的邏輯符號、單元拓撲和單元版圖（a）邏輯符號 （b）單元拓撲 （c）單元版圖

46庫單元設計(續(xù))下圖給出了一個簡單反相器的邏輯符號、單1219.4焊盤輸入輸出單元9.4.1輸入單元輸入單元主要承擔對內(nèi)部電路的保護，一般認為外部信號的驅(qū)動能力足夠大，輸入單元不必具備再驅(qū)動功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸入保護電路。為防止器件被擊穿，必須為這些電荷提供“泄放通路”，這就是輸入保護電路。輸入保護分為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)。479.4焊盤輸入輸出單元9.4.1輸入單元122輸入單元(續(xù))單二極管、電阻電路雙二極管、電阻保護電路

48輸入單元(續(xù))單二極管、電阻電路1239.4.2輸出單元A.反相輸出I/O

PAD顧名思義，反相輸出就是內(nèi)部信號經(jīng)反相后輸出。這個反相器除了完成反相的功能外，另一個主要作用是提供一定的驅(qū)動能力。圖9.37是一種p阱硅柵CMOS結(jié)構(gòu)的反相輸出單元，由版圖可見構(gòu)造反相器的NMOS管和PMOS管的尺寸比較大，因此具有較大的驅(qū)動能力。499.4.2輸出單元A.反相輸出I/OPAD124輸出單元(續(xù))p阱硅柵CMOS反相輸出I/O

PAD50輸出單元(續(xù))p阱硅柵CMOS反相輸出I/OPAD125輸出單元(續(xù))去鋁后的反相器版圖

51輸出單元(續(xù))去鋁后的反相器版圖126輸出單元(續(xù))大尺寸NMOS管版圖結(jié)構(gòu)和剖面52輸出單元(續(xù))大尺寸NMOS管版圖結(jié)構(gòu)和剖面127輸出單元(續(xù))反相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)假設反相器的輸入電容等于Cg，則當它驅(qū)動一個輸入電容為f·Cg的反相器達到相同的電壓值所需的時間為f·τ。如果負載電容CL和Cg的CL/Cg=Y時，則直接用內(nèi)部反相器驅(qū)動該負載電容所產(chǎn)生的總延遲時間為ttol=Y·τ。如果采用反相器鏈的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，器件的尺寸逐級放大f倍，則每一級所需的時間都是f·τ，N級反相器需要的總時間是N·f·τ。由于每一級的驅(qū)動能力放大f倍，N級反相器的驅(qū)動能力就放大了fN倍，所以fN＝Y(jié)。對此式兩邊取對數(shù)，得：

N=lnY/lnf反相器鏈的總延遲時間ttol=N*f*τ=(f/lnf)*τ*lnY

53輸出單元(續(xù))反相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)128輸出單元(續(xù))直接驅(qū)動和反相器鏈驅(qū)動負載時的延遲時間曲線

54輸出單元(續(xù))直接驅(qū)動和反相器鏈驅(qū)動負載時的延遲時間曲129輸出單元(續(xù))B.同相輸出I/O

PAD同相輸出實際上就是“反相＋反相”，或采用類似于圖9.40所示的偶數(shù)級的反相器鏈。為什么不直接從內(nèi)部電路直接輸出呢？主要是驅(qū)動能力問題。利用鏈式結(jié)構(gòu)可以大大地減小內(nèi)部負荷。即內(nèi)部電路驅(qū)動一個較小尺寸的反相器，這個反相器再驅(qū)動大的反相器，在同樣的內(nèi)部電路驅(qū)動能力下才能獲得較大的外部驅(qū)動。55輸出單元(續(xù))B.同相輸出I/OPAD130輸出單元(續(xù))C.三態(tài)輸出I/O

PAD所謂三態(tài)輸出是指單元除了可以輸出“0”，“1”邏輯外，還可高阻輸出，即單元具有三種輸出狀態(tài)。同樣，三態(tài)輸出的正常邏輯信號也可分為反相輸出和同相輸出。圖9.42是一個同相三態(tài)輸出的電路單元的結(jié)構(gòu)圖。同相三態(tài)輸出單元電路結(jié)構(gòu)

56輸出單元(續(xù))C.三態(tài)輸出I/OPAD131輸出單元(續(xù))同相三態(tài)輸出單元版圖57輸出單元(續(xù))同相三態(tài)輸出單元版圖132輸出單元(續(xù))D.漏極開路輸出單元漏極開路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的線邏輯58輸出單元(續(xù))D.漏極開路輸出單元1339.4.3輸入