集成电路IPPT课件

1、12021-11-20 第一节 输入缓冲器要通过输入缓冲器转换成合格的CMOS逻辑电平，再送到其他电路的输入端。可以通过一个专门设计的CMOS反相器实现电平转换，它的逻辑阈值设计在输入高、低电平范围之间，即若 ，则要求输入级反相器的比例因子为由于 ，这就要求 ，也就是说输入级反相器中的NMOS管要取较大的宽长比，这将增加电路的面积。另外，当输入为 或 时，反相器处在转变区边缘，将引起附加的功耗。minmax1.42IHILitVVVV5DDVV0.8TNTPVVV 00.046PNKK2np11NPWW maxILVminIHV第1页/共41页22021-11-20 第一节 输入缓冲器为了降低

2、输入级反相器的逻辑阈值，而又不使NMOS管宽长比很大，可以采用另一种输入缓冲器电路。在第一级反相器上面增加了一个二极管，用来降低加在反相器上的有效电源电压，从而降低反相器的逻辑阈值。另外增加一个反馈管Mf来改善第一级反相器输出高电平。当 时，M2弱导通，使输出高电平降低。这个较差的高电平经过第二级反相器反相后，输出一个较差的低电平，只要这个低电平使Mf导通，靠Mf把第一级的输出电平拉到合格的高电平。第二级反相器的尺寸根据驱动能力的要求设计。max0.8inILVVV第2页/共41页32021-11-20 第一节 输入缓冲器第3页/共41页42021-11-20 第一节 输入缓冲器CMOS史密特

3、触发器电路也是实现电平转换的接口电路，它是一种阈值转换电路，当输入信号从低电平向高电平变化时，必须大于阈值V+才能使输出电平下降；当输入信号从高电平向低电平变化时，必须小于阈值电压V-才能使输出电平上升。第4页/共41页52021-11-20 第一节 输入缓冲器CMOS史密特触发器的正向阈值，或叫正向触发电平其中用史密特触发器作输入级，当接受TTL输入电平时，即使 接近或大于NMOS管的阈值，只要 ，输出就是合格的CMOS高电平。从高电平向低电平变化时的反向阈值，即反向触发电平RTNRDDVVV131NNRKK31PPRKKRTpDDRVVV1ILVVVIL第5页/共41页62021-11-2

4、0 第一节 输入缓冲器用CMOS史密特触发器作输入缓冲级，可以提高输入噪声容限。对CMOS史密特触发器最大的输入高电平、低电平噪声容限为当采用对称设计时，CMOS史密特触发器有对称的正、反向触发电平，即使输入噪声容限比对称设计的CMOS反相器增大 。 VVVDDNHMVVNLMVVVDD21VVVDD21V第6页/共41页72021-11-20 第一节 输入缓冲器第7页/共41页82021-11-20 第二节 输入保护电路一、栅击穿问题MOS晶体管是绝缘栅场效应器件。当栅极加电压时会在栅氧化层中形成一定的电场，电压越高或者栅氧化层越薄，电场强度越大。当上氧化层上的电场超过一定的强度，会引起氧化

5、层击穿，造成MOS器件永久性破坏。引起氧化层本征击穿的电场在 范围。若 ，允许的最大栅压为 ；若 ，则由于MOS晶体管的栅极，即集成电路的输入端，会受到外界的各种干扰而形成很高的栅压。由于MOS晶体管栅极和其他电极之间是绝缘的，外界引入的各种杂散电荷将在栅上积累，形成等效栅压，这种静电引起的等效栅压将会造成栅击穿。25 50GmVV675 10 1 10/V cm12.5 25GmVV25oxtnm50oxtnm第8页/共41页92021-11-20 第二节 输入保护电路一、栅击穿问题例如：一个作为输入端的MOS晶体管， 若使等效栅压达到栅击穿电压50V，栅上需要积累的电荷为因此只要很少的电荷

6、就可以引起栅击穿。人体所带的静电荷足以引起上千伏的栅压，因此防止杂散的静电荷引起栅击穿是很重要的。45,60,2oxtnm Wm Lm 1292504.6 10GGGoxGQC VWLC VfFVC第9页/共41页102021-11-20 第二节 输入保护电路二、输入保护电路1、为了防止MOS IC中接到芯片输入端的MOS晶体管出现栅击穿，必须在MOS IC的输入端增加保护电路，用来为栅上积累的静电电荷提供放电通路，保护连接输入压点的MOS管的栅。最简单的保护电路是由一个二级管D和一个电阻R组成的。第10页/共41页112021-11-20 第二节 输入保护电路二、输入保护电路 当外界干扰或静

7、电感应使输入端有很高的电压时，高电压可以使二极管击穿。只要设计二极管的击穿电压小于MOS晶体管的栅击穿电压，首先使D击穿，产生的大电流在R上引起压将，从而使加在MOS晶体管栅极的电压降低，防止了栅击穿。电阻R还有限流的作用，防止二极管击穿引起过大的电流而被烧坏。由于干扰信号包括静电引起的输入端高电压都是瞬时的脉冲信号，只要电流不是非常大，二极管不会被烧坏，从而可以继续起保护作用。这种单二极管保护电路非常简单，占用面积也小，但是对于CMOS IC输入级的NMOS和PMOS两个晶体管的栅极不能都有很好的保护作用。第11页/共41页122021-11-20 第二节 输入保护电路二、输入保护电路2、上

8、图所示可以很好保护NMOS管栅极，但是对PMOS管栅极保护作用较差。若把二极管接在VDD和输入端之间，则对PMOS管栅极保护作用好而对NMOS栅极保护差。因此，CMOS IC中一般都采用双二极管保护电路，用两个二极管和一个电阻构成的保护电路。第12页/共41页132021-11-20 第二节 输入保护电路二、输入保护电路 其中D1是p+n-二极管，D2是n+p-二极管，R是多晶硅电阻。这种保护电路对NMOS管和PMOS管都有很好的保护作用。这种保护电路的缺点是占用面积较大，不仅因为增加了一个二极管，而且为了防止闩锁效应，在两个二极管周围都要增加保护环。第13页/共41页142021-11-20

9、CMOS电路版图中的闩锁效应有下图所示的反相器的版图剖面示意图可见，在这个P阱CMOS电路中，以N型衬底为基区，P+源区及漏区为发射区，P阱为集电区形成一个横向的寄生PNP三极管。而以P阱为基区，N+ 源区及漏区为发射区，N型衬底为集电区又形成一个纵向的寄生NPN三极管。这两个寄生三极管构成了一种PNPN的四层可控硅（SCR）结构，其等效电路图中，Rs、Rw为衬底和P阱的体电阻。 第14页/共41页152021-11-20 第二节 输入保护电路CMOS电路版图中的闩锁效应第15页/共41页162021-11-20 第二节 输入保护电路CMOS电路版图中的闩锁效应在正常工作状态下，PNPN四层结

10、构之间的电压不会超过Vtg，因此它处于截止状态。但在一定的外界因素触发下，例如由电源或输出端引入一个大的脉冲干扰，或受r射线的瞬态辐照，使PNPN四层结构之间的电压瞬间超过Vtg，这时，该寄生结构中就会出现很大的导通电流。只要外部信号源或者Vdd和Vss能够提供大于维持电流Ih的输出，即使外界干扰信号已经消失，在PNPN四层结构之间的导通电流仍然会维持，这就是所谓的“闩锁”现象。 一旦发生闩锁效应，CMOS电路的电源和地之间就处于近似短路的状态，这势必破坏电路的正常工作。此时只有将电源关断，然后重新接通，电路才可能恢复正常工作。如果这种电流不加限制，最终将使整个电路烧毁。第16页/共41页17

11、2021-11-20 第二节 输入保护电路CMOS电路版图中的闩锁效应产生闩锁效应的基本条件有三个：（1）外界因素使两个寄生三极管的EB结处于大于等于0.7的正向 偏置。（2）两个寄生三极管的电流放大倍数乘积大于1：（3）电源所提供的最大电流大于寄生可控硅导通所需要的维持电 流Ih。第17页/共41页182021-11-20 第二节 输入保护电路其中条件（2）的推导如下设外界干扰引起的触发电流 使Q1的EB结正偏电压大于0.7V0.7V。此时Q1Q1导通，若 流过RwRw产生的压降大于0.7V0.7V，就能使Q2Q2也导通，并引起较大的电流 ，有等效电路可得到如下关系：上式最后的近似是考虑 后

12、的结果。由Q2Q2的电流放大特性可知，因外界触发而引起的集电极电流等于若该电流流经电阻RsRs时所产生的压降足以保证Q1Q1的导通，则此时就有 （考虑到 ）也即有整理后得到 AGI1CI2BI1122CAGRWBBIIIII2BRWII22221CBAGIII 22111CAGBRSBIIIII 1BRSII2111AGBAGIII 11121 第18页/共41页192021-11-20 第二节 输入保护电路防止闩锁效应的措施：（1）减小阱区和衬底的寄生电阻Rw和Rs，这样可以减小寄生双极管发射结的正向偏压，防止Q1和Q2导通。（2）降低寄生双极晶体管的增益，增大基区宽度可以降低双极管的增益，

13、如适当加大阱区深度；从版图上保证NMOS和PMOS的有源区之间有足够大的距离。（3）使衬底加反向偏压，即p型衬底接一个负电压而不是地，这样可以降低寄生NPN管的基极电压，使其不易导通。（4）加保护环，这时比较普遍采用的防护措施。保护环起到削弱寄生NPN晶体管和寄生PNP晶体管之间的耦合作用。在NMOS周围增加接地的p+保护环，在PMOS周围增加接Vdd的n+保护环，这会增加面积。第19页/共41页202021-11-20 第二节 输入保护电路防止闩锁效应的措施：第20页/共41页212021-11-20 第二节 输入保护电路防止闩锁效应的措施：（5）用外延衬底，在先进的CMOS工艺中，采用p+

14、衬底上有p-外延层的硅片，p-外延层较薄，大约比n阱深几个微米。这样使寄生pnp晶体管的集电极电流主要被p+衬底收集，从而极大减小了寄生NPN晶体管的基极电流，使NPN晶体管失去作用。（6）采用SOICMOS技术是消除闩锁效应的最有效途径。由于SOICMOS器件的有源区完全有二氧化硅包围隔离，不会形成纵向和横向的寄生双极晶体管，从根本上避免了闩锁效应。第21页/共41页222021-11-20 第二节 输入保护电路防止闩锁效应的措施：第22页/共41页232021-11-20 第二节 输入保护电路二、输入保护电路 3、在CMOS VLSI 中还可以用一个栅接地的NMOS管和一个栅接电源的PMO

15、S管共同构成输入保护电路，由于保护电路的MOS管尺寸较大，其源漏区pn结又可以起到二极管保护作用。保护电路MOS管的宽长比（W/L）一般在200以上。第23页/共41页242021-11-20 第三节 输出缓冲器当一个电路的输出要驱动一个很大的负载电容时，为了保证电路有一定的工作速度，必须使电路的输出既能提供足够大的驱动电流。因为电路的延迟时间可近似用下式表示：在一定负载电容和逻辑摆幅的情况下，要减小电路的延迟时间必须增大MOS管的驱动电流；要增大驱动电流只有增大输出级MOS管的宽长比，而这样将加大前一级的负载电容，影响前一级的工作速度。因此在驱动很大负载电容时，如扇出很大的情况或是接到片外的

16、输出端，需要经过一个输出缓冲器电路或叫输出驱动器1LdDC VtI第24页/共41页252021-11-20 第三节 输出缓冲器 为了驱动很大的负载电容，可以用反相器链作输出缓冲器，用几级反相器串联，使反相器的尺寸逐级加大。为了使加入缓冲器后的总延迟时间最小，对反相器链需要进行优化设计，也就是确定合适的反相器链的级数以级反相器逐级增大的比例，使反相器的延迟时间最小。 第25页/共41页262021-11-20 第三节 输出缓冲器 各级反相器的尺寸以第一级反相器尺寸为标准归一化，以反相器中的NMOS管为例考虑，PMOS管的宽长比可以取为NMOS管的两倍。取第一级反相器中NMOS管的导电因子为令

17、，则第二级反相器中MOS管的导电因子为：第三级反相器中MOS管的导电因子可表示为：如此递推下去，可以得到一个普通表达式：其中 表示第i级反相器中MOS管的宽长比，且有 ，n为反 相器链的级数。 111WKKK SL11S 2212WKKS KL331KS K1,1,2, ,iiKS K iniS11S 第26页/共41页272021-11-20 第三节 输出缓冲器 每级反相器都有它的输入电容和输出电容，这些电容的大小与反相器中MOS管的宽长比有关。反相器的输入电容可近似用下式计算：反相器的输出电容为：尽管MOS晶体管的漏pn结电容不是直接与管子的W有关，但是pn结面积也是与W成正比例的，可以近

18、似认为对第i级反相器，它的负载电容可用下式近似计算其中 为第一级反相器的输入电容，即缓冲器的输入电容。 oxNPiG iiCCWWLS DBNDBPO iiCCC iO iCS 111iOiinL iO iG iCCCS CS CinC第27页/共41页282021-11-20 第三节 输出缓冲器 反相器链中的每一级反相器的延迟时间可近似为其中为第i级反相器中MOS管的导通电阻，R1为第1级反相器中MOS管的导通电阻。把 的表达式代入上式得到A是与比例因子无关的常数。N级反相器构成的反相器链的总延迟时间是：11111idiOiininiiSRtS CS CARCSS111niDiniSTARC

19、S don iL itRC 112on iiDDTiRRWSKVVL L iC第28页/共41页292021-11-20 第三节 输出缓冲器 反相器链优化设计的目标是寻找反相器逐级增大的适当比例，使总延迟时间最小。只有当使 反相器链中的反相器应按固定的因子S逐级增大尺寸，即把最终的负载电容 看作第n+1 级反相器的输入电容，则有因此得到反相器链设计的比例因子1iiSSS常数0DiTS3212SSSSS11nnLinSCSSC1 nLinSCCLC第29页/共41页302021-11-20 第三节 输出缓冲器 一般反相器的第一级尺寸按内部电路的尺寸设计，因此 是已知的，若知道了最终要驱动的负载电

20、容和反相器链的级数，就可以确定每一级反相器的设计尺寸，即反相器的总延迟时间可以表示为级数n和比例因子S的函数由于MOS晶体管的输入电容比它的输出电容大很多，且S是大于1的比例因子，因此在计算延迟时间时可以忽略第一项1122311,nLinnLinnnnLinSSCCSCCSCC。111DOinTn RCSRCinC第30页/共41页312021-11-20 第三节 输出缓冲器 把S的表达式代入上式求解 ，可以得到一个n的优化设计结果则采用n级 反相器链作驱动器驱动大的负载电容 ，各个反相器逐级增大e倍，可以使驱动器总的延迟时间最短。要想电路总的延迟时间最小，并不意味着经过的逻辑门的级数最少，而

21、是要使每级逻辑门的负载电容与其驱动能力有一个适当的比例。11nDinLinTnRCCC0DTnlnLinnCC1 nLinSCCelnLinnCCLC第31页/共41页322021-11-20 第四节 脱片输出驱动级对于接到片外的最终输出级反相器的设计，要考虑三方面因素（1）输出要和TTL电路兼容（2）要有足够大的输出驱动能力（3）输出静电保护一、CMOS IC输出与TTL接口设计一般要求CMOS IC的输入出至少能驱动一个TTL门，也就是要求CMOS电路的输出和TTL电路的输入之间满足电平匹配和电流匹配的要求： N是实际扇出系数。第32页/共41页332021-11-20 第四节 脱片输出驱

22、动级 对标准TTL电路为了使CMOS电路的输出能与TTL电路兼容，对CMOS IC输出级的要求是2.4400.41.6OHOHOLOLVVIAVVImA且，且minmaxmaxmax2.4 ,0.4 ,40,1.6IHILIHILVV VVIA ImA 第33页/共41页342021-11-20 第四节 脱片输出驱动级 由于CMOS电路的逻辑摆幅远大于TTL电路的逻辑摆幅，电平匹配不成问题。输出高电平时的电流匹配要求也很容易满足。为了使输出低电平时满足电流匹配的要求，必须使 时有足够大的导通电流。当 时，NMOS管处于线性区导通：若 要求 ，则NMOS管的宽长比应为CMOS IC输出驱动一个T

23、TL门的要求是很容易满足的。0.4OLVV0.4OLVV22DNNDDTNDDTNOLIKVVVVV525 ,0.8 ,2.3 10DDTNNVV VV KA V1.6DNImA22WL第34页/共41页352021-11-20 第四节 脱片输出驱动级 二、输出驱动能力设计对于脱片输出级，需要驱动包括压点、封装引线以及印刷电路板的寄生电容，这些电容总和可以达到几十甚至几百PF。驱动这样大的负载电容，需要用反相器链作驱动器。如果简单地接反相器链的设计方法，可能需要的反相器级数太多，占用面积太大。一般根据实际负载电容的大小及对输出级上升、下降时间的要求设计出最终输出级，然后根据反相器链的优化设计方法设计前几级反相器。第35页/共41页362021-11-20第36页/