第9講+MOS管的數(shù)字設(shè)計(jì)

第9講MOS管的數(shù)字設(shè)計(jì)模型功能模型分析CMOS數(shù)字功能時(shí)，可將MOS管理解為由柵極電壓控制的開(kāi)關(guān)?？紤]數(shù)字電路的速度和功耗時(shí)必須考慮電容。米勒電容初始時(shí)刻，輸入節(jié)點(diǎn)為0V，輸出節(jié)點(diǎn)為VDD，電容上的電荷？電源提供的總電荷終止時(shí)刻，輸入電壓為VDD，輸出電壓為0,電容上的電荷為電荷變化量米勒電容問(wèn)題將跨接在輸入輸出之間的電容C等效為兩個(gè)分別接在輸入回路和輸出回路的電容，則等效電容為多少？輸入端由于電荷變化量為2CVDD，輸入電源相當(dāng)于將容量為2C的電容從0V充電到VDD。輸出端輸出電源吸收的電荷與輸入電源提供的電荷相等，為2CVDD，相當(dāng)于一個(gè)容量為2C的電容從VDD放電到0V的電荷。MOS管的有效開(kāi)關(guān)電阻假設(shè)柵極電壓突然從0跳變到VDD，MOS管導(dǎo)通，產(chǎn)生ID。隨著電容放電，VDS從VDD變?yōu)?.MOS管的平均導(dǎo)通電阻？本書(shū)中的MOS管數(shù)字模型以上過(guò)程，工作點(diǎn)從A到B到C。平均電阻平均電阻相當(dāng)于BC直線斜率的倒數(shù)。此公式并不準(zhǔn)確，但可用于手工估算。只考慮MOS管開(kāi)關(guān)電阻的模型用于NMOS邏輯電路或其它“有比”電路的功能分析。MOS管各極之間的電容線性區(qū)：Cgd=Cgs=1/2Cox教材只考慮柵電容注意Cgd充放電時(shí)兩端電壓變化2VDD。為計(jì)算方便需將Cgd分散到GS和DS之間分散到GS和DS之后該電容上的電壓變化為VDD，根據(jù)米勒電容關(guān)系，應(yīng)將Cgd擴(kuò)大一倍。教材使用的數(shù)字模型此模型可用于估算延遲，但對(duì)數(shù)字電路的尺寸設(shè)計(jì)沒(méi)有幫助（設(shè)計(jì)時(shí),W未定,無(wú)法計(jì)算)?！禖MOS大規(guī)模集成電路》中的模型（1）正常設(shè)計(jì)（L取最小值，源漏區(qū)面積版圖達(dá)到最?。r(shí)，CMOS數(shù)字電路中的MOS管柵電容與“擴(kuò)區(qū)”（源區(qū)和漏區(qū)的統(tǒng)稱）電容基本相等。（2）數(shù)字模型的作用主要是用來(lái)比較兩個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，只要能夠正確比較兩種設(shè)計(jì)方案即可，模型越簡(jiǎn)單越好。與工藝無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)模型定義單位晶體管（1）單位NMOS管可以任意定義，但一般定義為工藝允許的最小寬度管。（2）單位NMOS管的柵電容為C，導(dǎo)通電阻為R。單位PMOS管與單位NMOS管尺寸相同。假設(shè)相同尺寸的PMOS導(dǎo)通電阻為NMOS導(dǎo)通電阻的2倍。因此單位PMOS的電阻為2R，電容為C。一種簡(jiǎn)單有效的MOS管數(shù)字模型圖中MOS管的寬度都為單位NMOS管的k倍。基于單位晶體管的數(shù)字模型的優(yōu)點(diǎn)不僅可用于估算延遲，而且用于數(shù)字電路中的晶體管尺寸設(shè)計(jì)。使用這種模型可以評(píng)價(jià)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，與具體使用的工藝無(wú)關(guān)?？焖傺舆t估計(jì)一個(gè)邏輯門驅(qū)動(dòng)相同邏輯門的個(gè)數(shù)稱為扇出（FO)系數(shù)。數(shù)字設(shè)計(jì)中經(jīng)常把一個(gè)反向器驅(qū)動(dòng)4個(gè)反相器的延遲作為延遲的基數(shù)。延遲等效電路驅(qū)動(dòng)門只考慮漏極電容，負(fù)載門只需考慮柵極電容。充電等效電路為什么連接VDD的2C和8C可以理解為接地？解釋1：VDD不變，對(duì)于動(dòng)態(tài)問(wèn)題相當(dāng)于接地。充電時(shí)間常數(shù)為15RC。電荷變化量等價(jià)解釋2：以驅(qū)動(dòng)門PMOS管的漏極電容2C為例，充電前，電容兩端電壓為0V和VDD，充電后兩端電壓都是變?yōu)閂DD，電荷變化量為CVDD，與將接地的電容從0V充電到VDD等價(jià)。放電等效電路放電時(shí)間常數(shù)為15RC。保證PMOS管和NMOS管導(dǎo)通電阻相等可以使充放電時(shí)間相等，即上升延遲與下降延遲相等。思考題在將FO4問(wèn)題中，如果將所有反相器中的晶體