第2章-電路圖基礎(chǔ)

2023/1/161第2章電路圖基礎(chǔ)IC版圖設(shè)計(jì)2023/1/162第2章電路圖基礎(chǔ)2.12.22.32.42.5MOS晶體管傳輸門(mén)邏輯門(mén)理解電路圖的連接關(guān)系基本電學(xué)定律2023/1/1632.1MOS晶體管CMOS導(dǎo)通條件閾值損失2023/1/1642.1MOSFETStructure2023/1/165MOSFETStructure2023/1/166NMOSandPMOSwithWell2023/1/167導(dǎo)通條件2023/1/168NMOS單管開(kāi)關(guān)2023/1/169PMOS單管開(kāi)關(guān)2023/1/1610CMOS開(kāi)關(guān)RETURN2023/1/16112.2邏輯門(mén)（Gate）邏輯門(mén)可以直接或者組合形成布爾邏輯函數(shù)。幾乎任何布爾邏輯都可以由單個(gè)邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)，但通常并不這樣做。反相器與非門(mén)或非門(mén)復(fù)合邏輯門(mén)大多數(shù)CMOS的邏輯函數(shù)都可以用反相器、兩輸入到四輸入與非門(mén)（NAND）、兩輸入到四輸入或非門(mén)（NOR）以及傳輸門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2023/1/16122.2.1反相器inOut01102023/1/16132.2.2兩輸入與非門(mén)（NAND2）In1In2Out0010111011102023/1/16142.2.3兩輸入或非門(mén)（NOR2）In1In2Out0010101001102023/1/16152.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)同一個(gè)組合邏輯可以用不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則包含的門(mén)數(shù)及管數(shù)盡可能的少門(mén)的連接關(guān)系盡量簡(jiǎn)單多用反相門(mén)（NAND、NOR等），少用同相門(mén)（AND、OR等）設(shè)計(jì)目標(biāo)減少芯片面積→降低芯片成本縮短互連線→提高傳輸速度2023/1/16162.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)2023/1/16172.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)P管：并與串或N管：串與并或S1S2VDDY2023/1/16182.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)2023/1/16192.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)2023/1/16202.2.4CMOS復(fù)合邏輯門(mén)異或門(mén)同或門(mén)2023/1/16212.3傳輸門(mén)ABOUT00弱001010X11000101110X11弱1IN00001111應(yīng)用多路選擇器異或門(mén)、同或門(mén)運(yùn)算電路（如加法器）時(shí)序部件2023/1/1622鏡像電路實(shí)現(xiàn)XOR的鏡像電路2023/1/1623準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOS結(jié)構(gòu)nMOS邏輯電路用1個(gè)pFET為負(fù)載2023/1/1624準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOS反相器:輸出低電平2023/1/1625準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOS反相器:實(shí)例2023/1/1626準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOSNAND2/NOR22023/1/1627準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOSAOI2023/1/1628準(zhǔn)nMOS電路準(zhǔn)nMOS特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)電路簡(jiǎn)單，需要FET數(shù)少，占用芯片面積少

CMOS門(mén)：N個(gè)輸入需要2N個(gè)FET

準(zhǔn)nMOS門(mén)：N個(gè)輸入需要N+1個(gè)FET適用于版圖面積受限或者扇入很大或者速度要求較快的場(chǎng)合缺點(diǎn)低電平VOL與pFET和nFET的尺寸比有關(guān)（有比邏輯）存在靜態(tài)功耗（輸出低電平時(shí)，pFET與PDN形成導(dǎo)電通道）2023/1/1629動(dòng)態(tài)CMOS電路基本結(jié)構(gòu)預(yù)充電管:提供輸出高電平時(shí)鐘信號(hào)：控制電路的工作并實(shí)現(xiàn)同步求值控制管:保證預(yù)充電期間無(wú)靜態(tài)功耗實(shí)現(xiàn)邏輯操作輸出電容：包括結(jié)電容、扇出門(mén)輸入電容和布線電容，保持預(yù)充電電平2023/1/1630動(dòng)態(tài)CMOS電路版圖:NAND32023/1/1631動(dòng)態(tài)CMOS電路（存在的問(wèn)題）1、輸入變量只能在預(yù)充電期間變化，在求值階段必須保持穩(wěn)定

時(shí)鐘上升沿前：Ma、Mb均截止，CL上電荷充滿，以保持其高電平

時(shí)鐘上升沿后：Ma導(dǎo)通，Mb截止，CL上的電荷在CL和CA間重新分配，使Vout有所下降電荷分享（Chargesharing）FET之間的寄生電容與負(fù)載電容分享放電電荷和充電電荷，導(dǎo)致輸出電壓衰減2、電荷分享（Chargesharing）2023/1/1632動(dòng)態(tài)CMOS（存在的問(wèn)題）動(dòng)態(tài)CMOS門(mén)的輸入若出現(xiàn)1→0的翻轉(zhuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致預(yù)充電電荷的損失要避免這種損失，應(yīng)使動(dòng)態(tài)CMOS門(mén)在求值時(shí)只出現(xiàn)0→1的翻轉(zhuǎn)，方法是在預(yù)充電期間置所有的輸入為0在動(dòng)態(tài)CMOS單元之間加1個(gè)反相器（多米諾單元）3、多級(jí)不能直接級(jí)聯(lián)2023/1/1633多米諾邏輯多米諾邏輯單元構(gòu)成基本動(dòng)態(tài)邏輯靜態(tài)反相器2023/1/1634多米諾邏輯基本邏輯門(mén)多米諾邏輯門(mén)實(shí)例2023/1/1635多米諾邏輯邏輯鏈構(gòu)成2023/1/1636多米諾邏輯名稱由來(lái)只有當(dāng)所有前級(jí)的電平轉(zhuǎn)換已完成，本級(jí)才會(huì)有動(dòng)作。預(yù)充電求值2023/1/1637C2MOS電路C2MOS:時(shí)鐘控制CMOS電路nFET靜態(tài)邏輯電路pFET靜態(tài)邏輯電路三態(tài)輸出控制2023/1/1638C2MOS電路三態(tài)反相器2023/1/1639C2MOS電路C2MOS門(mén)電路使tr↑使tf↑2023/1/1640C2MOS電路C2MOS門(mén):版圖2023/1/1641C2MOS電路C2MOS門(mén):特點(diǎn)C2MOS的作用通過(guò)控制邏輯門(mén)的內(nèi)部操作，同步通過(guò)邏輯鏈的數(shù)據(jù)流C2MOS的不足高阻態(tài)下，電荷泄漏→Vout不能永久保持，其保持時(shí)間必須>時(shí)鐘周期→時(shí)鐘頻率f>fminVout衰減的原因：電荷泄漏、亞閾值電流等2023/1/1642D鎖存器電路(傳輸門(mén)實(shí)現(xiàn)二選一)QDclkclk!clk!clkclkinputsampled(transparentmode)feedback(holdmode)clk012023/1/1643基于二選一電路的D鎖存器正時(shí)鐘Latch負(fù)時(shí)鐘LatchQ=!clk&Q|clk&DQ=clk&Q|!clk&DQDclk01反饋clk為低時(shí)輸出等于輸入clk為高時(shí)輸出等于輸入QDclk10反饋將反饋環(huán)路斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)輸入采樣2023/1/1644主從D觸發(fā)器MasterQMD01Q10SlaveQMDclk01Qclk10SlaveMasterclkQMQDclkDFFQDclk=0transparent

holdclk=01hold

transparent2.4理解電路圖連接關(guān)系2023/1/16452023/1/16462023/1/1647RETURN2023/1/16482.5回顧電學(xué)基本定律2.5.1歐姆定律2.5.2Kirchhoff定律Kirchhoff電流定律Kirchhoff電壓定律2.5.3電阻2.5.4電容2.5.5延時(shí)計(jì)算2023/1/16492.5.1歐姆定律V=I×RMOS管等效電阻2023/1/16502.5.2Kirchhoff定律Kirchhoff定律Kirchhoff電流定律：流入任一電學(xué)節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和為零；

或者，流入節(jié)點(diǎn)的電流總和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流總和。Kirchhoff電壓定律：在一個(gè)閉環(huán)回路中的電壓降之和等于該電路外加總電壓，即，輸入電壓總量等于電路中所有的電壓降。2023/1/16512.5.3電阻電阻即導(dǎo)體導(dǎo)電的阻力（能力）。在IC設(shè)計(jì)中約定，導(dǎo)電層的電阻值計(jì)算用每“平方面積”的阻值來(lái)表示?！捌椒矫娣e”定義為導(dǎo)體長(zhǎng)度等于寬度時(shí)的面積。ρ是導(dǎo)體層的電阻率，單位是Ω/□，l是長(zhǎng)度，w是導(dǎo)體的寬度。2023/1/16522.5.4電容電容是在指定節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間每單位電壓一個(gè)物體或?qū)w所能支持的電荷總量。