《MOS集成电路》PPT课件.ppt

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E EMOS倒相器9 4E DMOS倒相器9 5CMOSIC9 6MOS工艺9 7版图举例 3 9 1MOSIC的主要特点 一 MOSFET的主要特点1 MOSFET是电压控制元件 功耗小2 MOSFET之间自然隔离 工艺更简单 面积可以做得更小3 可以多层布线 便于元件的紧凑排列和版图的布局设计4 单元面积小 组成基本逻辑门电路和触发器等所用的MOS管较少 因此 完成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 4 二 NMOS的特点 1 n p 速度快2 VTn较低 VDD小 易于与双极型电路匹配3 工艺复杂 问世较PMOS晚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NMOS 所以除CMOS外 不再标出符号中的衬底电极 5 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充放电 无少子存贮效应2 压控器件 主要是电容负载问题 6 9 2MOS倒相器 倒相器是MOSIC中最基本的单元电路 输入管总是EMOS 因为EMOS在0输入下保持截止 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的 故前后级可以直接连接 使电路简化 7 一 一般形式 Vi VDD Vo 负载元件 驱动元件 输入管 a b c ViVo 8 二 分类 根据负载分类 电阻负载倒相器 E R 增强负载倒相器 E E 耗尽负载倒相器 E D 互补负载倒相器 CMOS 9 按负载与输入管之间的关系分类 有比反相器无比反相器 VOH VDD VoL REL RON 输入高电平时 TI导通 其导通电阻为RON REL为负载的等效电阻那么 为了保证VOL足够低 RON和REL必须保持一定的比例 这就是有比反相器 Vo Vi VoL VOH 理想情况下VOL 0不需要两个管子保持一定比例 这就是无比反相器 10 9 3饱和负载E EMOS倒相器 一 工作原理 Vo Vi VDD G S S G D TI TL D VGSL VDSL VDSL VGSL VTTL永远饱和忽略衬底偏置效应 认为TL的源与衬底同电位 实际上VB 0 VS VO 那么VTI VTL VT在TL的输出特性上连接VGSL VDSL各点 得TL的伏安特性曲线 50403020100 24681012 由于TL的跨导小 所以线较密负载线的方程为IDSL KL VDSL VTL 2抛物线 VGSL 13V 1211109876 VTL 3 5V VDSL V ID uA TL的输出特性 KL L 2 11 500400300200100400 24681012 Vi 13V 987654 ID uA VO V TI的跨导大 线稀把负载线画到TI的输出特性曲线中IDSL IDSI IDVO VDD VDSL方程为ID KL VDD VT VO 2 121086420 24681012 VO V Vi V TI的输出特性根据上图的交点可得到电压传输曲线 特点 1 高电平最大值为VDD VTL2 TL等效电阻 低电平 12 二 特性分析 Vi G G D TI D Vo VDD S S 13 Vi G G D TI D Vo VDD S 14 2 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TL总是饱和的 所以主要根据TI的饱和情况进行分区 怎样判断TI是否饱和 Vi VTVo非饱和可见分区线是Vi VT Vo因为只有Vi VT时 TI才导通 所以还有一根线是Vi VT 121086420 24681012 Vi VT Vo V Vi V VDD VT Vi VT VO TI 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 区 Vi VT VoVi VTTI非饱和 区 Vi VTVTTI饱和 区 Vi VTTI截止 15 16 3 直流噪容 和TTL电路类似 Vo Vi VOHVOHminVOLmaxVOL VNML VNMH 0VOLVILVIHVOH VIL 最大输入低电平 关门电平VIH 小高开低电平噪容 VNML VIL VOL高电平噪容 VNMH VOH VIH逻辑摆幅 VL VOH VOL过渡区宽度 VW VIH VIL计算方法 VIL用 区方程VIH用 区方程 0 9VOH 0 1VOH 要提高噪声容限 要求 I L 1 且选用尽可能高的VDD 17 例题 18 19 三 非饱和和自举MOS倒相器 1 非饱和E EMOS倒相器 饱和E E倒相器有两个缺点 1 VOH VDD VT2 充电时间曲线拖一尾巴 速度慢TL非饱和 VDSLVDD VTL VGG VDD TL TI Vi Vo 优点 1 VOH VDD 无损失2 输出高电平时TL的导通电阻小 充电电流大 速度 虽多用一个电源 但性能大有改善 20 2 自举MOS倒相器 克服非饱和用两个电源的缺点自举原理 比普通反相器增加了预充电管TB和自举电容Cb VDD TL TI Vi Vo TB D S G Cb CL 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 VTE VDL 于是TL转入非饱和导通态 21 VDD TL TI Vi Vo TB D S G Cb CL 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 22 9 4E DMOS的倒相器 VDD TD Vi D S G TE D S G Vo 耗尽型 VGS 0 一直导通 有导电沟道 增强型 23 VDD TD Vi D S G TE D S G Vo 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 Vo Vi VDDAVOHminVDD VTD低电平噪声VOLmax VNML VNMH 0VOLVTEVILVIHVDD B C D E TD非饱和TE饱和 均饱和 TD饱和TE非饱和 VO VI VTE 对于TD 分区线是VO VDD VTD对于TE 分区线是VO Vi VTE还有Vi VTE 判断TE是否截止 噪容 VIL用BC段 VIH用DE段 25 静态特性的特点 a VOH VDD 无损失b 直流特性强烈依赖于负载管的VTD 通过调节VTD可使VOL c 噪容大d 负载管具有恒流特性 速度较快 26 9 5CMOSIC 有比反相器的弱点 1 直流功耗大 当Vi VOH时 TL和TI同时导通 功耗大2 两个元件相互依赖 要使VOL R要足够大 两个元件不能独立选取3 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 可解决以上三个弱点 C是互补的意思 27 9 5 1CMOS倒相器 一 工作原理 CMOS倒相器由一对互补的MOSFET组成 P管和N管互补对称 VDD ViGDVO VGSP VDSP VDSN VGSN Ip IN SS 两个栅级作输入端两个漏极出Vi 1 TN导通Tp截止Vo 0 Vi 0 Tp导通TN截止Vo 1 总有一个管子截止 静态功耗小 P管 N管 28 二 直流传输特性电流方程 29 画出电压传输曲线并分区 分区线是Vi VTN VO Vi VTP VO Vi VTN Vi VDD VTP 分成5个区 VDDVO0 Tp非TN截 Tp饱 TN饱TN非TP截 Vi VTN VO Vi VTP VO VTNV VDD VTPVDD Vi 静态时I 0 状态转换时有电流脉冲通过 区 VO VDD TN管截止 区 TN饱和 TP非饱和1 4 区 均饱和1 3 区 TN非饱和 TP饱和2 3 区 TP截止VO 0 30 三 噪容 VO 0V Vi VNMLMVNMHM Vi VO 1 指定噪容 根据使用和电路工作要求预先给出临界高低电平2 最大噪容 VNMHM VOH V VNMLM V VOL3 最佳噪容v 1 2 判断传输特性好坏的标准 1 逻辑摆幅大2 状态转换区陡 垂直3 噪容大 31 四 功耗特性 反相器的功耗由三部分组成 静态功耗Pc 瞬态功耗P动 交变功耗Pt 动态功耗 输入为连续脉冲时 32 1 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 故Pc极低 它由电路中所有Pn结漏电流和表面漏电流形成 主要与三个因素有关 集成度 寄生二极管多Pc 芯片面积 寄生二极管的结面积 I漏 Pc 温度 I漏 Pc 33 2 瞬态功耗P动 对于CMOS 其静态功耗很小 所以要重点考虑动态功耗 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