CMOS静态组合门电路的延迟速度

2020/5/10,半导体集成电路,2020/5/10,CMOS静态组合门电路的延迟（速度）,2020/5/10,延迟时间实测方法,2020/5/10,本节内容,延迟时间的估算方法负载电容的估算传输延迟时间估算举例缓冲器最优化设计,2020/5/10,一、延迟时间的估算方法,Vin=0,设输入为阶跃信号，则Vout上升(或下降）到0.5VDD时，对应,tPLH,tPHL,等效电阻,负载电容,反相器的延迟,2020/5/10,1个PMOS导通时，tPLH0.69CLRP2个PMOS导通时，tPLH0.69CL(RP/2)2个NMOS导通时，tPHL0.69CL2RN,CMOS与非门的延迟,一般只关注最坏的情况,2020/5/10,等效电阻的估算,等效（平均）电阻一般取0.75R0,L:0.25umW:0.5umR0约8K欧,2020/5/10,负载电容的估算,Cself,Cwire,Cfanout,Cload=Cself+Cwire+Cfanout,总负载电容,自身电容,连线电容,扇出电容,CG,CG,CG,2020/5/10,扇出电容,负载电容的估算（cont.),CfanoutCG,Vin,Vout,CGp,CGn,CGCGn+CGp,2020/5/10,截止区：沟道未形成，CGD=CGS=0,CGB=CGCCoxWL,MOSFET栅极电容(cont.),2020/5/10,非饱和区：沟道形成，相当于D、S连通，CGD=CGS(1/2)CoxWLCGB=0,Gate,P_SUB,n+S,n+D,CGC,CGDO,CGSO,非饱和区(VGSVTH,VDSVTH,VDSVGS-VTH),2020/5/10,自身电容,负载电容的估算（cont.),设输入为阶跃信号，则Vout从0上升(或从VDD下降）到0.5VDD时，晶体管（对于短沟道晶体管）处于截止或饱和态，因此CGD只剩交叠电容。,CGS、CSB、CGB与输出端D无关只有扩散电容CDB和CGD与输出端D有关,2020/5/10,2020/5/10,MOSFET交叠电容,CGSO和CGDO交叠电容，由源漏横向扩散形成，值一定,栅漏密勒电容,2020/5/10,自身电容,负载电容的估算（cont.),因此，自身电容为：Cself=CDBn+2CGDOn+CDBp+2CGDOp,连线电容,短线可忽略，长线需考虑,深亚微米级后，连线电容变得不可忽略,2020/5/10,CMOS逻辑门传输延迟举例,反相器,2输入与非门,2输入与非门,*等效电阻相同：电容比反相器大4/3倍。,*输入电容相同：电阻比反相器大4/3倍。,忽略中间漏极电容,忽略连线电容,2020/5/10,反向器,2输入与非门,2输入或非门,FO=1,CMOS逻辑门传输延迟举例,2020/5/10,各种CMOS门电路的传输延迟,0.75CinvR0,反向器,N输入逻辑门,LE倍,自身延迟时间：,反向器为t0,n输入逻辑门为nt0,后级负载延迟时间：,0.75CinvR0:FO=1时，反向器的延迟时间f:FanoutLE:LogicalEffort,输入信号数,反向器,2020/5/10,传输延迟时间的估算：8输入AND,输入信号数,反向器,当FO=1时，哪一种逻辑组合速度更快?,2020/5/10,缓冲器速度最优化设计,CD.n=1fF/mm,CG.n=1.5fF/mm,R0.n=4kW/mm,=0.75R0C=0.75R0CSelf+0.75R0CL=0.75(31fF)4kW+0.75160fF4kW=500pS,tpHL=0.69=345pS,约为3M,忽略连线电容,2020/5/10,缓冲器速度最优化设计,=0.75R0C,减小R0,加大反相器管子的宽长比,在改善了本级电路延迟时间的同时加大了本身的栅极电容,2020/5/10,缓冲器速度最优化设计,CD.n=1fF/mm,CG.n=1.5fF/mm,R0.n=4kW/mm,=0.75(3f+13.5f)4kW+(9f+40.5f)4kW/3+(27f+160f)4kW/9=162pS,tpHL=0.69=112pS,C=160fF,WP=2mm,Wn=1mm,2020/5/10,缓冲器速度最优化设计,快速缓冲器尺寸3倍3倍逐段增加，但面积和功耗也会加大。,CD.n=1fF/mm,CG.n=1.5fF/mm,R0.n=4kW/mm,=0.75(3f+9f)4kW+(6f+18f)4kW/2+(12f+36f)4kW/4+(24f+72f)4kW/8+(48f+160f)4kW/16=183pS,tpHL=0.69=126pS,2020/5/10,CL,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1.05,1.1,1.15,1.25,1.3,1.15,1.2,1.35,1.4,a,Cin,缓冲器速度最优化设计,2020/5/10,减小延迟的版图设计典型例子,栅极/扩散覆盖电容CO=0.3fF/mm扩散电容(p和n相同)底面:CJ=2fF/mm2周边:CJSW=0.25fF/mm,栅极电容,扩散电容,2020/5/10,使扩散电容减小的版图设计,双指