工学MOS集成电路.pptx

1第9章 MOS集成电路2内容提要9.1MOSIC的主要特点9.2MOS倒相器9.3饱和负载EEMOS倒相器9.4E/DMOS倒相器9.5CMOSIC9.6MOS工艺9.7版图举例39-1 MOS IC的主要特点的主要特点一、一、MOSFET的主要特点的主要特点 1、MOSFET是电压控制元件功耗小是电压控制元件功耗小 2、MOSFET之间自然隔离工艺更简单，之间自然隔离工艺更简单，面积可以做得更小面积可以做得更小 3、可以多层布线便于元件的紧凑排列、可以多层布线便于元件的紧凑排列和版图的布局设计和版图的布局设计 4、单元面积小组成基本逻辑门电路和、单元面积小组成基本逻辑门电路和触发器等所用的触发器等所用的MOS管较少，因此，完成管较少，因此，完成一定逻辑功能的电路所占的芯片面积小，一定逻辑功能的电路所占的芯片面积小，特别适和大规模集成。特别适和大规模集成。4二、NMOS的特点1、np，速度快，速度快 2、VTn较低，较低，VDD小，易于与双极型电小，易于与双极型电路匹配路匹配 3、工艺复杂，问世较、工艺复杂，问世较PMOS晚晚 随着工艺水平的不断提高，随着工艺水平的不断提高，NMOS电路得到了广泛应用。我们也只讨论电路得到了广泛应用。我们也只讨论NMOS，所以除，所以除CMOS外，不再标出符外，不再标出符号中的衬底电极号中的衬底电极5三、分析方法的特点三、分析方法的特点1、多子器件：瞬态分析时主要考虑电容的、多子器件：瞬态分析时主要考虑电容的充放电，无少子存贮效应充放电，无少子存贮效应 2、压控器件：主要是电容负载问题、压控器件：主要是电容负载问题69-2 MOS 倒相器倒相器倒相器是倒相器是MOSIC中最基本的单元电路，输中最基本的单元电路，输入管入管总总是是EMOS。因为。因为EMOS在在0输入下保持输入下保持截止，不需要额外的电压偏置电路。前级输出截止，不需要额外的电压偏置电路。前级输出电平的范围与后级要求的输入电平范围是一致电平的范围与后级要求的输入电平范围是一致的，故前后级可以直接连接，使电路简化的，故前后级可以直接连接，使电路简化。7一、一般形式：一、一般形式：ViVDDVo负载元件负载元件驱动元件驱动元件（输入管）（输入管）(a)（b）（c）ViVo8二、分类：二、分类：根据负载分类根据负载分类电阻负载倒相器（电阻负载倒相器（E/R）增强负载倒相器（增强负载倒相器（E/E）耗尽负载倒相器（耗尽负载倒相器（E/D）互补负载倒相器（互补负载倒相器（CMOS）9按负载与输入管之间的关系分类按负载与输入管之间的关系分类有比反相器有比反相器无比反相器无比反相器VOHVDDVoLRELRON输入高电平时，输入高电平时，TI导通，其导通电阻为导通，其导通电阻为RON，REL为负载为负载的等效电阻的等效电阻 那么：那么：为了保证为了保证VOL足够低，足够低，RON和和REL必须保持一定的比例，必须保持一定的比例，这就是这就是有比反相器有比反相器VoViVoLVOH理想情况下理想情况下VOL0不需要两个管子保持一定比例，这就是不需要两个管子保持一定比例，这就是无比无比反相器反相器109-3 饱和负载饱和负载EEMOS倒相器倒相器一、工作原理一、工作原理VoViVDDGSSGDTITLDVGSLVDSL VDSLVGSL-VT TL永远饱和永远饱和忽略衬底偏置效应，认为忽略衬底偏置效应，认为TL的源与衬底同电位，的源与衬底同电位，(实际上实际上VB=0，VS=VO)那么那么VTIVTLVT在在TL的输出特性上连接的输出特性上连接VGSLVDSL各点，得各点，得TL的伏安特性曲线的伏安特性曲线5040302010024681012由于由于TL的跨导小，所以线较密的跨导小，所以线较密负载线的方程为负载线的方程为IDSLKL（VDSLVTL）2抛物线抛物线VGSL13V1211109876VTL3.5VVDSL（V）ID（uA）TL的输出特性的输出特性KL=L/21150040030020010040024681012Vi13V987654ID（uA）VO（V）TI的跨导大，线稀的跨导大，线稀把负载线画到把负载线画到TI的输出特性曲的输出特性曲线中线中IDSLIDSIIDVOVDDVDSL方程为方程为IDKL（VDDVTVO）212108642024681012VO（V）Vi（V）TI的输出特性的输出特性根据上图的交点可得到电压传输曲线根据上图的交点可得到电压传输曲线:特点：特点：1、高电平最大值为、高电平最大值为VDD-VTL 2、TL等效电阻等效电阻 低电平低电平 12二、特性分析二、特性分析ViGGDTIDVoVDDSS13ViGGDTIDVoVDDS142、传输特性：讨论的是输出电压与输入电压的关系、传输特性：讨论的是输出电压与输入电压的关系 前面由图解法已经得出电压传输曲线，要分析传输特性，实质是前面由图解法已经得出电压传输曲线，要分析传输特性，实质是写出这个曲线的曲线方程。由于饱和区和非饱和区的电流方程是写出这个曲线的曲线方程。由于饱和区和非饱和区的电流方程是不同的，所以必须进行分区。由于不同的，所以必须进行分区。由于TL总是饱和的。所以主要根据总是饱和的。所以主要根据TI的饱和情况进行分区的饱和情况进行分区怎样判断怎样判断TI是否饱和：是否饱和：ViVTVo 非饱和非饱和 可见分区线是可见分区线是ViVTVo 因为只有因为只有Vi VT时，时，TI才导通，所以还有一根线是才导通，所以还有一根线是ViVT12108642024681012ViVTVo（V）Vi（V）VDDVTViVTVOTI、TL饱和TI非饱和TL饱和这样，就把电压传输曲线分成了三个区这样，就把电压传输曲线分成了三个区区：区：ViVTVo ViVT TI 非饱和非饱和区：区：ViVTVT TI 饱和饱和 区：区：Vi1，且选用尽可能高的VDD.17例题：例题：1819三、非饱和和自举三、非饱和和自举MOS倒相器倒相器1、非饱和、非饱和E/EMOS倒相器：倒相器：饱和饱和EE倒相器有两个缺点：倒相器有两个缺点：1、VOHVDDVT 2、充电时间曲线拖一尾巴，速度慢、充电时间曲线拖一尾巴，速度慢 TL非饱和：非饱和：VDSLVGSLVTL VDDVOVDDVTLVGGVDDTLTIViVo优点：优点：1、VOHVDD，无损失，无损失 2、输出高电平时、输出高电平时TL的导通电阻的导通电阻小，充电电流大，速度小，充电电流大，速度，虽多用一个，虽多用一个电源，但性能大有改善电源，但性能大有改善202、自举、自举MOS倒相器：倒相器：克服非饱和用两个电源的缺点克服非饱和用两个电源的缺点 自举原理：自举原理：比普通反相器增加了预充电管比普通反相器增加了预充电管TB和自举电容和自举电容CbVDDTLTIViVoTBDSGCbCL假定反相器的输入为高电平VDD,输出为低电平VOL，此时TB导通，对CB充电，使自举电容两端的电压为VGSL=VDD-VTB-VOL，所以负载管TL的栅极被预置了电平VGLO=VDD-VTB.此电压表明，自举电容CB已充满了电荷，于是，TB不再对CB充电，若由于某种原因使VGL下降，则TB又对CB充电。在输入电平由高变为低时，输出电平上升，但是CB两端的电压不可能突变，所以VGL将随VOL的升高而升高，这就是自举效应。随着VGL上升，TB截止，CB上的电荷量CB*VGSL保持不变，这表明在自举过程中，TL处于固定的栅源偏置状态。在自举过程开始时，VGL比VDL低一个VTE，TL处于饱和导通状态。当VOL上升达到甚至超过2VTB时，由于VGSL保持不变，故VGL上升达到VDD+VTEVDL，于是TL转入非饱和导通态。21VDDTLTIViVoTBDSGCbCL这使输出高电平达到VDD，消除了饱和E/E反相门的高电平阈值电压损失。由于TL对CL的充电电流不会随Vo升高而下降，加快了输出高电平的上升时间。229-4E/DMOS的倒相器VDDTDViDSGTEDSGVo耗尽型：耗尽型：VGS0，一直导通，一直导通 （有导电沟道）（有导电沟道）增强型增强型23VDDTDViDSGTEDSGVo当E/D反相器输入低电平时，输出为高电平，可以用类似分析饱和负载E/E反相器的方法，求出VOH=VDD.当输入高电平时，驱动管TE可等效为一个电阻RE,在输出电压VOL很小时，可以推导出这时，耗尽型负载管处于饱和态，可以等效为一个恒流源，于是可以求出E/D反相器的输出低电平为24传输特性传输特性VoViVDDAVOHminVDD+VTD低电平噪声VOLmaxVNMLVNMH0VOLVTEVILVIHVDDBCDETD非饱和TE饱和均饱和TD饱和TE非饱和VO=VI-VTE对于对于TD，分区线是，分区线是VO=VDD+VTD对于对于TE，分区线是，分区线是VOVi VTE 还有还有ViVTE,判断判断TE是否截止是否截止噪容：噪容：VIL用用BC段，段，VIH用用DE段段25静态特性的特点：静态特性的特点：a、VOHVDD，无损失，无损失 b、直流特性强烈依赖于负载管的、直流特性强烈依赖于负载管的VTD，通过调节，通过调节VTD可使可使VOL c、噪容大、噪容大 d、负载管具有恒流特性，速度较快、负载管具有恒流特性，速度较快269-5CMOSIC有比反相器的弱点：有比反相器的弱点：1、直流功耗大：当、直流功耗大：当ViVOH时，时，TL和和TI同时导通，功耗同时导通，功耗大大2、两个元件相互依赖：要使、两个元件相互依赖：要使VOL，R要足够大，两个要足够大，两个元件不能独立选取元件不能独立选取3、输出波形上升沿和下降沿很不对称、输出波形上升沿和下降沿很不对称CMOS基于两个元件交替导通的想法，可解决以上三个基于两个元件交替导通的想法，可解决以上三个弱点。（弱点。（C是互补的意思）是互补的意思）279-5-1 CMOS倒相器倒相器一、工作原理：一、工作原理：CMOS倒相器由一对互补的倒相器由一对互补的MOSFET组成，组成，P管和管和N管互补对称。管互补对称。VDDViGDVOVGSPVDSPVDSNVGSNIpINSS两个栅级作输入端两个栅级作输入端 两个漏极两个漏极 出出 Vi“1”TN导通导通 Tp截止截止 Vo“0”Vi“0”Tp导通导通 TN截止截止 Vo“1”总有一个管子截止，静态功耗小总有一个管子截止，静态功耗小P管管N管管28二、直流传输特性二、直流传输特性 电流方程：电流方程：29画出电压传输曲线并分区画出电压传输曲线并分区,分区线是分区线是Vi-VTN=VO,Vi-VTP=VO,Vi=VTN,Vi=VDD+VTP，分成分成5个区个区VDDVO0Tp非TN截Tp饱TN饱TN非TP截ViVTNVOViVTPVOVTNV*VDDVTPVDDVi静态时静态时I=0，状态转换时有电流，状态转换时有电流脉冲通过脉冲通过区：区：VO VDD，TN管截止管截止区：区：TN饱和，饱和，TP非饱和非饱和 14区：均饱和区：均饱和 13区：区：TN非饱和，非饱和，TP饱和饱和 23区：区：TP截止截止 VO 030三、噪容三、噪容VO0V*ViVNMLMVNMHMVi=VO1、指定噪容、指定噪容:根据使用和电路工根据使用和电路工作要求预先给出临界高低电平作要求预先给出临界高低电平2、最大噪容：、最大噪容：VNMHM=VOHV VNMLM=V VOL3、最佳噪容、最佳噪容v =1/2判断传输特性好坏的标准：判断传输特性好坏的标准：1、逻辑摆幅大、逻辑摆幅大2、状态转换区陡，垂直、状态转换区陡，垂直3、噪容大、噪容大31四、功耗特性反相器的功耗由三部分组成：反相器的功耗由三部分组成：静态功耗静态功耗Pc瞬态功耗瞬态功耗P动动交变功耗交变功耗Pt动态功耗：输入为连续脉冲时动态功耗：输入为连续脉冲时321、静态功耗、静态功耗Pc：CMOS倒相器静态时总有一个管子导通，另一个截止，倒相器静态时总有一个管子导通，另一个截止，故故Pc极低，它由电路中所有极低，它由电路中所有Pn结漏电流和表面漏电流形结漏电流和表面漏电流形成。主要与三个因素有关：成。主要与三个因素有关：集成度集成度 寄生二极管多寄生二极管多 Pc 芯片面积芯片面积 寄生二极管的结面积寄生二极管的结面积 I漏漏 Pc 温度温度 I漏漏 Pc332、瞬态功耗、瞬态功耗P动动：对于对于CMOS，其静态功耗很小，所以要重点考虑动，其静态功耗很小，所以要重点考虑动态功耗。态功耗。当反相器输入为理想阶跃波时，对负载电容和寄生当反相器输入为理想阶跃波时，对负载电容和寄生电容充放电所消耗的功耗称为瞬态功耗电容充放电所消耗的功耗称为瞬态功耗VDDIpInVoIcCLVitttViIicIIpINIpIN充放充放343、交变功耗Pt输入为非理想阶跃波时，在反相器处于输入波形上升输入为非理想阶跃波时，在反相器处于输入波形上升沿或下降沿的瞬间，负载管和驱动管会同时导通，由此沿或下降沿的瞬间，负载管和驱动管会同时导通，由此引起的功耗称为交变功耗。引起的功耗称为交变功耗。如对如对CMOS倒相器输入一非阶跃信号：倒相器输入一非阶跃信号：当当VTNViVDDVTP时，时，TP、TN同时导通，这时有一同时导通，这时有一股电流股电流I从电源通过从电源通过TP、TN流到地，产生交变功耗流到地，产生交变功耗PtViVDDVDDVTPVTN0It