数字专用集成电路设计

数字专用集成电路设计2,陈禾内容:CMOS电路基础知识MOS管基本理论CMOS基本电路,CMOS电路基础知识,MOS器件是VLSI基础MOS器件有nMOS和pMOS两种类型，以及两种类型的结合-CMOS器件CMOS为目前VLSI的主流工艺,MOS晶体管基本工作原理,nMOS管：电子作为导电载流子pMOS管：空穴导电,符,MOS晶体管基本工作原理,增强型nMOS三极管立体构造,MOS晶体管基本工作原理,图为MOS三极管版图示意图,即芯片表面顶视图。在加工时P型硅上先加工多晶硅栅极，再加工扩散层的D和S，因此扩散层版图中，源、漏极连成一线。,MOS晶体管基本工作原理,nMOS三极管剖面图,MOS晶体管基本工作原理,反型层的形成,MOS晶体管基本工作原理,反型层和n型硅都依靠自由电子导电，但自由电子产生的方法不同。n型硅是在制造过程中由扩散掺杂工艺产生反型层则由栅极电压感应产生故MOS管又称场效应晶体管,MOS晶体管基本工作原理,Vtn是MOS晶体管的一个极其重要的参数Vtn可在制造过程中加以控制Vtn取的太大，晶体管不易导通，要求很大的驱动电流才能导通Vtn取的太小，晶体管不易截止，抗干扰能力变差通常Vtn0.2VDD,MOS晶体管基本工作原理,nMOS管不同Vds情况下的沟道特性VgsVtn,Vds=0;VdsVgs-Vtn;VdsVgs-Vtn,MOS晶体管基本工作原理,当VgsVtn，VdsVgs-Vtn时为线性状态，Ids现随Vg的增加而增加，也随Vds的增加而增加。当VgsVtn，VdsVgs-Vtn时为饱和状态，Ids只随Vg的增加而增加，但不随的Vds增加而明显增加。当然，Vds有一定限制，电压过高，晶体管将被击穿。,MOS晶体管基本工作原理,nMOS管V-I特性,MOS晶体管基本工作原理,nMOS器件理想设计方程,MOS晶体管基本工作原理,阈值电压大小取决于：栅极材料栅极绝缘材料栅极绝缘层厚度沟道掺杂浓度源极与衬底之间电压环境温度：随温度升高而降低调节阈值电压大小方法：用离子诸如法改变沟道掺杂浓度采用不同栅极绝缘材料,MOS晶体管基本工作原理,在数字逻辑电路中，工作速度是一项很重要的指标。电子从源极运动到漏极所需时间：=L2/nVd，也称MOS管的切换时间。n为常数，在Vd一定时，与L2成正比。因此为提高电路的工作速度，沟道长度L做的越短越好，所以L通常是加工集成电路中最细的线条宽度。这取决于加工的精度。加工精度提高2倍，工作速度可提高4倍。这也是集成电路要千方百计提高加工精度的一个重要原因。,MOS晶体管基本工作原理,还可从MOS管的过渡过程来分析其工作速度。通常数字电路输出端连到下一级电路的栅极，带的是栅极电容负载Cg。晶体管栅极与沟道形成一平板电容：Cg=(WL)/Tox。MOS管的输出电阻为Rc，故过渡过程的时间常数为：RcCgL2/n（VgsVd）与上页有类似的形式，进一步说明与L2成正比。迁移率n2.5p，因此在相同情况下，nMOS管比pMOS管工作时间快。,CMOS基本电路,MOS开关,MOS开关,不管是nMOS还是pMOS，其导通条件是：|VgsVt饱和条件是：|VgdVt,nMOS开关,MOS开关在转换过程中，要对CL进行冲放电,Vin,Vgs,CL,VSS,Vo,CMOS逻辑电平,CMOS逻辑,Ann-channeltransistorprovidesastrong0,butaweak1.Ap-channeltransistorprovidesastrong1,butaweak0.CMOStechnologyproducesstrong0logiclevelsaswellasstrong1logiclevels.,CMOS基本电路,CMOS反相器,CMOS基本电路,CMOS反相器传输特性曲线,CMOS基本电路,CMOS反相器传输特性曲线,CMOS基本电路,在A区，输入为逻辑“0”，对应的输入电压为0VinVtn，n管截止，p管导通，并处在线性工作区。无电流流过反相器，VDD经p管输出。反相器输出完整的逻辑1电平。在E区，输入为逻辑1，对应的输入电压为VinVDD-Vtp，n管导通，处于线性工作状态。p管截止，无电流流过反相器。反相器输出为完整的逻辑0电平。,CMOS基本电路,在B区，输入电压增加到刚好超过n管的阈值电压Vtn，其电压范围为VtnVinVDD/2。n管源漏之间有大的电压降，处于饱和状态。p管也导通，源漏间电压很小，处于线性工作状态。C区，CMOS反相器中的p管和n管都处于饱和状态。在D区，当输入电压为VDD/2VinVDDVtp时，p管饱和，n管工作在线性区。这一工作状态与B区相似。,CMOS基本电路,CMOS电路中既有nMOS管，又有pMOS管，有两种导电载流子。影响电路传输特性的，不仅是晶体管的形状尺寸比值，而且与管子类型也有关。因此，在CMOS电路中采用晶体管增益因子讨论电路性能。nMOS和pMOS管的表示为：,CMOS基本电路,CMOS反相器的传输特性曲线随着n/p比值的不同而发生变化，n/p比值的改变，是通过改变晶体管沟道的长度L和宽度W来实现的。当n/p减小时，传输区域从左向右移动。,CMOS基本电路,对于CMOS反相器，比值取为n/p=1较好，因在这种情况下，反相器对负载电容的充放电时间相同。影响传输特性曲线的另一个因素是温度，当温度升高，晶体管沟道中载流子迁移率降低。因而降低了晶体管的值。电子和空穴同样受温度影响。随着温度升高Vtn和Vtp同时都变小，这意味着，反相器的五个工作区中的A区变小了，而E区变大了。因此，图中整个传输特性曲线随着温度升高，将向左倾斜，并向右略有偏移。如果温度升高50，n管和p管的阈值电压都降低200mV，这将造成0.4V的偏移。,CMOS基本电路,CMOS逻辑,CMOS