第5章MOS反相器(半导体集成电路共14章)(ppt文档可编辑修改).ppt

半导体半导体集成电路集成电路学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电 时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期2024/5/11 周六nMOS反相器的基本概念及静态特性反相器的基本概念及静态特性n电阻型反相器电阻型反相器nE/E MOS反相器反相器nE/D MOS反相器反相器nCMOS反相器反相器 工作原理工作原理 CMOS反相器的静态特性反相器的静态特性 CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性n MOS反相器的设计反相器的设计n三态反相器三态反相器2024/5/11 周六一、一、MOS反相器的基本概念及静态特性反相器的基本概念及静态特性输出输出=3.3v3.3V输入输入=0v输入输入=3.3v输出输出=0v3.3V电流电流OUTPUTINPUT0110OUTPUTINPUTINPUTOUTPUT1.MOS反相器基本概念反相器基本概念2024/5/11 周六VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVMVOH:输出电平为逻辑输出电平为逻辑”1 1”时的最大输出电压时的最大输出电压VOL:输出电平为逻辑输出电平为逻辑”0 0”时的最小输出电压时的最小输出电压VIL:仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”1 1”的最大输入电压的最大输入电压VIH:仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”0 0”的最小输入电压的最小输入电压VM（逻辑阈值）（逻辑阈值）:输入等于输出输入等于输出电压传输特性电压传输特性2024/5/11 周六VOHVOLVILVOHVIHVOL噪声噪声最大允许最大允许电压电压噪声噪声最小允许最小允许电压电压2024/5/11 周六高噪声容限低噪声容限不定区不定区VIHVIL10VOHVOLVNMHVNMLGate OutputGate InputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIH2024/5/11 周六二、电阻负载型反相二、电阻负载型反相 器器VDDRLVIN=VGSVOUT=VDS1.VIN=VOL0V时时N管截止管截止VOUTRLVDDVOUT=VDD驱动管驱动管负载负载2024/5/11 周六2.VIN=VOHVDD时时N管导通管导通,可将可将MOS等效为可变电阻等效为可变电阻RMOSVDDRLVIN=VGSVOUT=VDSVDDRLIRVOUTRMOS若若RLRMOS则则VOUT 02024/5/11 周六v 电阻负载型反相器电压传输特性电阻负载型反相器电压传输特性VDDRLVOUTVINVINVOUTRL增大增大2024/5/11 周六输入输入输出输出关于负载电阻的讨论关于负载电阻的讨论INPUTOUTPUT为了使反相器的传输特性好为了使反相器的传输特性好R负载负载驱动驱动在驱动管在驱动管开关断开开关断开开关断开开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻时，负载电阻相对于开关的电阻足够小足够小足够小足够小在驱动管在驱动管开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻时，负载电阻相对于开关的电阻足够大足够大足够大足够大MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同而不同，通常在而不同，通常在K K欧数量级，假设它为欧数量级，假设它为3K欧，负载电阻取它的欧，负载电阻取它的1010倍为倍为30K30K欧，用多晶欧，用多晶硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2 2微米微米的话，线长需为的话，线长需为2mm。占面积很大，因此通常用占面积很大，因此通常用MOS管做负载管做负载2024/5/11 周六nninout介绍饱和介绍饱和MOS负载反相器负载反相器Vds=VgsVgs-Vth只要开通，则工作在饱和区只要开通，则工作在饱和区VIN 0VOUT=VDD-VTHL当当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时时负载管关断负载管关断驱动管截止驱动管截止VIN VDD驱动管非饱和导通驱动管非饱和导通,负载管饱和导通负载管饱和导通为使为使VOL接近接近0，要求，要求gmLgmI有比电路有比电路三、三、E/E MOS反相反相 器器2024/5/11 周六v E/E MOS反相器电压传输特性反相器电压传输特性VINnnVinVoutgmL/gmI减小减小VDD-VTVoutVin2024/5/11 周六采用耗尽型，采用耗尽型，VGS=0时时,一直工作处于导通状态一直工作处于导通状态VIN 0VOUT=VDD驱动管截止驱动管截止VIN VDD驱动管非饱和导通驱动管非饱和导通,负载管饱和导通负载管饱和导通有比电路有比电路nninoutMEMD三、三、E/D MOS反相反相 器器2024/5/11 周六KR增大增大nninoutVDDv E/D MOS反相器电压传输特性反相器电压传输特性2024/5/11 周六由由PMOS和和NMOS所组成的互补型电路叫做所组成的互补型电路叫做CMOSC：complementaryVinVout四、四、CMOS反相反相 器器已成为目前数字集已成为目前数字集成电路的主流成电路的主流2024/5/11 周六v CMOS反相器工作原理反相器工作原理VinVout当输入电压当输入电压当输入电压当输入电压V Vinin为高电平时，为高电平时，为高电平时，为高电平时，PMOSPMOS截止，截止，截止，截止，NMOSNMOS导通，导通，导通，导通，V Voutout=0=0当输入电压当输入电压当输入电压当输入电压V Vinin为低电平时，为低电平时，为低电平时，为低电平时，PMOSPMOS导通，导通，导通，导通，NMOSNMOS截止，截止，截止，截止，V Voutout=V=VDDDDVOL=0VOH=VDD在输入为在输入为0或或1（VDD)时，两个时，两个MOS管中总是一个截止一管中总是一个截止一个导通，因此没有从个导通，因此没有从VDD到到VSS的直流通路，也没有电流的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是。这是CMOS电路低功耗的主要原因。电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点电路的最大特点之一是低功耗。之一是低功耗。2024/5/11 周六CMOS反相器的传输特性V VDSDS=V=VoutoutVinVout-V VGSGS=V=VDDDD-V-Vinin-V VDSDS=V=VDDDD-V-VoutoutV VGSGS=V=VininNMOSNMOSV VininVVtn tn 截止截止截止截止 V Vinin-V-VtntnVVVout out 非非非非饱和饱和饱和饱和 PMOSPMOS(V(VDDDD-V-Vinin)-V)V VDDDD-V-Vout out 非饱和非饱和非饱和非饱和 (V(VDDDD-V-Vinin)+V)+Vtptp V VDDDD-V-Voutout 饱和饱和饱和饱和 VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非饱非饱和和N饱和饱和P非饱非饱和和N非饱非饱和和P饱和饱和N非饱非饱和和P截止截止VtnVDDVtpVinVinVoutVtpVinVoutVtnVtnVinVGS-VTH,工作在饱和区工作在饱和区2024/5/11 周六CMOS反相器的下降时间反相器的下降时间t tf fVin=VDD线性区线性区VinVout2.VOUT 从从VDD-VTH 下降到下降到 10%VDDN管的管的VDS1(1(发生跳变发生跳变)时：时：输出从输出从“1”转变为转变为“0”,有电荷有电荷转移转移012.2.当输入信号为当输入信号为V VDDDD时：时：输出保持输出保持0不变，没有电荷转移不变，没有电荷转移CMOS反相器的功耗反相器的功耗动态功耗动态功耗静态功耗静态功耗2024/5/11 周六CMOS反相器的功耗反相器的功耗功耗组成：功耗组成：1.静态功耗静态功耗 2.动态功耗动态功耗1.静态功耗静态功耗PS输入输入输出输出输出输出在输入为在输入为0或或1（VDD)时，两个时，两个MOS管中总是一个截止一管中总是一个截止一个导通，因此没有从个导通，因此没有从VDD到到VSS的直流通路，也没有电流的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。VinVout2024/5/11 周六考虑扩散区与衬底之间的反向漏电流后，存在较小反向漏电流考虑扩散区与衬底之间的反向漏电流后，存在较小反向漏电流随着特征尺寸的减小，漏电流功耗变得不可随着特征尺寸的减小，漏电流功耗变得不可忽视，减小漏电流功耗是目前的研究热点之忽视，减小漏电流功耗是目前的研究热点之一。一。2024/5/11 周六2.动态功耗动态功耗PDVILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非饱非饱和和N饱和饱和P非饱非饱和和N非饱非饱和和P饱和饱和N非饱非饱和和P截止截止 1.短路电流功耗短路电流功耗：在输入从：在输入从0到到1或者从或者从1到到0瞬变过程中，瞬变过程中，NMOS管和管和PMOS管都处于导通管都处于导通状态，此时存在一个窄的从状态，此时存在一个窄的从VDD到到VSS的电流脉冲，由此引起的功耗的电流脉冲，由此引起的功耗叫短路电流功耗。叫短路电流功耗。CLVdd通常（开关频率较低通常（开关频率较低时）为动态功耗的主时）为动态功耗的主要组成部分要组成部分2.瞬态功耗瞬态功耗：在电路开关动作：在电路开关动作时，对输出端负载电容进行放时，对输出端负载电容进行放电引起的功耗。电引起的功耗。2024/5/11 周六瞬态功耗瞬态功耗VinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E=E*f=CLVDD2fl 为减小功耗需要减小为减小功耗需要减小CL,VDD 和和fl 动态（翻转）的能量和功耗：与驱动器件的动态（翻转）的能量和功耗：与驱动器件的电阻电阻无关无关每次翻转消耗的能量每次翻转消耗的能量E2024/5/11 周六短路电流功耗短路电流功耗VinVoutCLVddVoutiCtp2024/5/11 周六2024/5/11 周六2024/5/11 周六2024/5/11 周六CMOS反向器的功耗表达式反向器的功耗表达式P=fCLK CL VDD2+ISC tSC VDD fCLK+IDC VDD+ILeak VDD在此：在此：CL为负载电容，为负载电容，VDD为电源电压，为电源电压，ISC为穿通电流的平均值，为穿通电流的平均值，tSC为穿为穿 通电流流过的时间通电流流过的时间，fCLK为时钟周期，为时钟周期，IDC为直流电流，为直流电流，ILEAK为漏电流。为漏电流。2024/5/11 周六CMOS 反相器版图PolysiliconInOutVDDGNDPMOS2l lMetal 1NMOSContactsN Well2024/5/11 周六Two InvertersConnect in MetalExample:CMOS Inverter Layout 2024/5/11 周六Design Idea 2024/5/11 周六Virtuoso and LSW 2024/5/11 周六Drawing the N-Diffusion(Active)2024/5/11 周六The Gate Poly 2024/5/11 周六Making Active Contacts 2024/5/11 周六Covering Contacts with Metal-12024/5/11 周六The N-Select Layer 2024/5/11 周六Drawing the P-Diffusion(Active)2024/5/11 周六Transistor Features 2024/5/11 周六The P-Select Layer 2024/5/11 周六Drawing the N-Well 2024/5/11 周六Placing the PMOS and NMOS transistors 2024/5/11 周六Connecting the Output 2024/5/11 周六Connecting the Input 2024/5/11 周六Making a Metal-1 connection for the Input 2024/5/11 周六Power Rails 2024/5/11 周六P-Substrate Contact 2024/5/11 周六N-Substrate Contact 2024/5/11 周六Enclosing the substrate contact 2024/5/11 周六Design Rule Checking 2024/5/11 周六Final Layout 2024/5/11 周六结结 论论qq 静态静态静态静态CMOSCMOS逻辑电路噪声容限较大逻辑电路噪声容限较大逻辑电路噪声容限较大逻辑电路噪声容限较大qqCMOSCMOS电路的特点之一是功耗小，其静态功耗几乎为电路的特点之一是功耗小，其静态功耗几乎为电路的特点之一是功耗小，其静态功耗几乎为电路的特点之一是功耗小，其静态功耗几乎为0 0qqCMOSCMOS反相器为无比反相器反相器为无比反相器反相器为无比反相器反相器为无比反相器qq CMOSCMOS反相器的反相器的反相器的反相器的PMOSPMOS和和和和NMOSNMOS沟道宽的比值大约为沟道宽的比值大约为沟道宽的比值大约为沟道宽的比值大约为2 2 2 2：1(1(1(1(L L 相同相同相同相同)时，时，时，时，t tPLHPLH和和和和t tPHLPHL大致相同，上升时间和下降大致相同，上升时间和下降大致相同，上升时间和下降大致相同，上升时间和下降时间也大致相同时间也大致相同时间也大致相同时间也大致相同qq 为了减小为了减小为了减小为了减小t tPHLPHL（或下降时间或下降时间或下降时间或下降时间t tf f）,可增大可增大可增大可增大NMOSNMOS的尺寸的尺寸的尺寸的尺寸qq 为了减小为了减小为了减小为了减小t tPLH PLH（或上升时间或上升时间或上升时间或上升时间t tr r）,可增大可增大可增大可增大PMOSPMOS的尺寸的尺寸的尺寸的尺寸2024/5/11 周六作作 业业1.考虑具有如下参数的考虑具有如下参数的CMOS反相器反相器求电路的噪声容限以及逻辑阈值求电路的噪声容限以及逻辑阈值.电源电压取电源电压取3.3V.2.2.设计一个设计一个CMOS反相器反相器:器件参数同上题器件参数同上题,电源电压为电源电压为3.3V,两个晶体管的沟道长度为两个晶体管的沟道长度为Ln=Lp=0.8um.a:a:求当电路的逻辑阈值为求当电路的逻辑阈值为1.4V1.4V时时,Wn/Wp的值的值.b:b:这个反相器的这个反相器的CMOSCMOS制作工艺允许制作工艺允许VTn,VTp的值在标称值有正负的值在标称值有正负15%15%的变化的变化假定其他参数仍为标称值，求电路的逻辑阈值的上下限假定其他参数仍为标称值，求电路的逻辑阈值的上下限3.3.名词解释名词解释:有比逻辑电路；无比逻辑电路；逻辑阈值。有比逻辑电路；无比逻辑电路；逻辑阈值。