《MOS集成電路》PPT課件.ppt

1 第9章MOS集成電路 2 內(nèi)容提要 9 1MOSIC的主要特點(diǎn)9 2MOS倒相器9 3飽和負(fù)載E EMOS倒相器9 4E DMOS倒相器9 5CMOSIC9 6MOS工藝9 7版圖舉例 3 9 1MOSIC的主要特點(diǎn) 一 MOSFET的主要特點(diǎn)1 MOSFET是電壓控制元件 功耗小2 MOSFET之間自然隔離 工藝更簡單 面積可以做得更小3 可以多層布線 便于元件的緊湊排列和版圖的布局設(shè)計(jì)4 單元面積小 組成基本邏輯門電路和觸發(fā)器等所用的MOS管較少 因此 完成一定邏輯功能的電路所占的芯片面積小 特別適和大規(guī)模集成 4 二 NMOS的特點(diǎn) 1 n p 速度快2 VTn較低 VDD小 易于與雙極型電路匹配3 工藝復(fù)雜 問世較PMOS晚隨著工藝水平的不斷提高 NMOS電路得到了廣泛應(yīng)用 我們也只討論NMOS 所以除CMOS外 不再標(biāo)出符號中的襯底電極 5 三 分析方法的特點(diǎn) 1 多子器件 瞬態(tài)分析時(shí)主要考慮電容的充放電 無少子存貯效應(yīng)2 壓控器件 主要是電容負(fù)載問題 6 9 2MOS倒相器 倒相器是MOSIC中最基本的單元電路 輸入管總是EMOS 因?yàn)镋MOS在0輸入下保持截止 不需要額外的電壓偏置電路 前級輸出電平的范圍與后級要求的輸入電平范圍是一致的 故前后級可以直接連接 使電路簡化 7 一 一般形式 Vi VDD Vo 負(fù)載元件 驅(qū)動(dòng)元件 輸入管 a b c ViVo 8 二 分類 根據(jù)負(fù)載分類 電阻負(fù)載倒相器 E R 增強(qiáng)負(fù)載倒相器 E E 耗盡負(fù)載倒相器 E D 互補(bǔ)負(fù)載倒相器 CMOS 9 按負(fù)載與輸入管之間的關(guān)系分類 有比反相器無比反相器 VOH VDD VoL REL RON 輸入高電平時(shí) TI導(dǎo)通 其導(dǎo)通電阻為RON REL為負(fù)載的等效電阻那么 為了保證VOL足夠低 RON和REL必須保持一定的比例 這就是有比反相器 Vo Vi VoL VOH 理想情況下VOL 0不需要兩個(gè)管子保持一定比例 這就是無比反相器 10 9 3飽和負(fù)載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永遠(yuǎn)飽和忽略襯底偏置效應(yīng) 認(rèn)為TL的源與襯底同電位 實(shí)際上VB 0 VS VO 那么VTI VTL VT在TL的輸出特性上連接VGSL VDSL各點(diǎn) 得TL的伏安特性曲線 50403020100 24681012 由于TL的跨導(dǎo)小 所以線較密負(fù)載線的方程為IDSL KL VDSL VTL 2拋物線 VGSL 13V 1211109876 VTL 3 5V VDSL V ID uA TL的輸出特性 KL L 2 11 500400300200100400 24681012 Vi 13V 987654 ID uA VO V TI的跨導(dǎo)大 線稀把負(fù)載線畫到TI的輸出特性曲線中IDSL IDSI IDVO VDD VDSL方程為ID KL VDD VT VO 2 121086420 24681012 VO V Vi V TI的輸出特性根據(jù)上圖的交點(diǎn)可得到電壓傳輸曲線 特點(diǎn) 1 高電平最大值為VDD VTL2 TL等效電阻 低電平 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 傳輸特性 討論的是輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系前面由圖解法已經(jīng)得出電壓傳輸曲線 要分析傳輸特性 實(shí)質(zhì)是寫出這個(gè)曲線的曲線方程 由于飽和區(qū)和非飽和區(qū)的電流方程是不同的 所以必須進(jìn)行分區(qū) 由于TL總是飽和的 所以主要根據(jù)TI的飽和情況進(jìn)行分區(qū) 怎樣判斷TI是否飽和 Vi VTVo非飽和可見分區(qū)線是Vi VT Vo因?yàn)橹挥蠽i VT時(shí) TI才導(dǎo)通 所以還有一根線是Vi VT 121086420 24681012 Vi VT Vo V Vi V VDD VT Vi VT VO TI TL飽和 TI非飽和TL飽和 這樣 就把電壓傳輸曲線分成了三個(gè)區(qū) 區(qū) Vi VT VoVi VTTI非飽和 區(qū) Vi VTVTTI飽和 區(qū) Vi VTTI截止 15 16 3 直流噪容 和TTL電路類似 Vo Vi VOHVOHminVOLmaxVOL VNML VNMH 0VOLVILVIHVOH VIL 最大輸入低電平 關(guān)門電平VIH 小高開低電平噪容 VNML VIL VOL高電平噪容 VNMH VOH VIH邏輯擺幅 VL VOH VOL過渡區(qū)寬度 VW VIH VIL計(jì)算方法 VIL用 區(qū)方程VIH用 區(qū)方程 0 9VOH 0 1VOH 要提高噪聲容限 要求 I L 1 且選用盡可能高的VDD 17 例題 18 19 三 非飽和和自舉MOS倒相器 1 非飽和E EMOS倒相器 飽和E E倒相器有兩個(gè)缺點(diǎn) 1 VOH VDD VT2 充電時(shí)間曲線拖一尾巴 速度慢TL非飽和 VDSLVDD VTL VGG VDD TL TI Vi Vo 優(yōu)點(diǎn) 1 VOH VDD 無損失2 輸出高電平時(shí)TL的導(dǎo)通電阻小 充電電流大 速度 雖多用一個(gè)電源 但性能大有改善 20 2 自舉MOS倒相器 克服非飽和用兩個(gè)電源的缺點(diǎn)自舉原理 比普通反相器增加了預(yù)充電管TB和自舉電容Cb VDD TL TI Vi Vo TB D S G Cb CL 假定反相器的輸入為高電平VDD 輸出為低電平VOL 此時(shí)TB導(dǎo)通 對CB充電 使自舉電容兩端的電壓為VGSL VDD VTB VOL 所以負(fù)載管TL的柵極被預(yù)置了電平VGLO VDD VTB 此電壓表明 自舉電容CB已充滿了電荷 于是 TB不再對CB充電 若由于某種原因使VGL下降 則TB又對CB充電 在輸入電平由高變?yōu)榈蜁r(shí) 輸出電平上升 但是CB兩端的電壓不可能突變 所以VGL將隨VOL的升高而升高 這就是自舉效應(yīng) 隨著VGL上升 TB截止 CB上的電荷量CB VGSL保持不變 這表明在自舉過程中 TL處于固定的柵源偏置狀態(tài) 在自舉過程開始時(shí) VGL比VDL低一個(gè)VTE TL處于飽和導(dǎo)通狀態(tài) 當(dāng)VOL上升達(dá)到甚至超過2VTB時(shí) 由于VGSL保持不變 故VGL上升達(dá)到VDD VTE VDL 于是TL轉(zhuǎn)入非飽和導(dǎo)通態(tài) 21 VDD TL TI Vi Vo TB D S G Cb CL 這使輸出高電平達(dá)到VDD 消除了飽和E E反相門的高電平閾值電壓損失 由于TL對CL的充電電流不會(huì)隨Vo升高而下降 加快了輸出高電平的上升時(shí)間 22 9 4E DMOS的倒相器 VDD TD Vi D S G TE D S G Vo 耗盡型 VGS 0 一直導(dǎo)通 有導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型 23 VDD TD Vi D S G TE D S G Vo 當(dāng)E D反相器輸入低電平時(shí) 輸出為高電平 可以用類似分析飽和負(fù)載E E反相器的方法 求出VOH VDD 當(dāng)輸入高電平時(shí) 驅(qū)動(dòng)管TE可等效為一個(gè)電阻RE 在輸出電壓VOL很小時(shí) 可以推導(dǎo)出 這時(shí) 耗盡型負(fù)載管處于飽和態(tài) 可以等效為一個(gè)恒流源 于是可以求出E D反相器的輸出低電平為 24 傳輸特性 Vo Vi VDDAVOHminVDD VTD低電平噪聲VOLmax VNML VNMH 0VOLVTEVILVIHVDD B C D E TD非飽和TE飽和 均飽和 TD飽和TE非飽和 VO VI VTE 對于TD 分區(qū)線是VO VDD VTD對于TE 分區(qū)線是VO Vi VTE還有Vi VTE 判斷TE是否截止 噪容 VIL用BC段 VIH用DE段 25 靜態(tài)特性的特點(diǎn) a VOH VDD 無損失b 直流特性強(qiáng)烈依賴于負(fù)載管的VTD 通過調(diào)節(jié)VTD可使VOL c 噪容大d 負(fù)載管具有恒流特性 速度較快 26 9 5CMOSIC 有比反相器的弱點(diǎn) 1 直流功耗大 當(dāng)Vi VOH時(shí) TL和TI同時(shí)導(dǎo)通 功耗大2 兩個(gè)元件相互依賴 要使VOL R要足夠大 兩個(gè)元件不能獨(dú)立選取3 輸出波形上升沿和下降沿很不對稱CMOS基于兩個(gè)元件交替導(dǎo)通的想法 可解決以上三個(gè)弱點(diǎn) C是互補(bǔ)的意思 27 9 5 1CMOS倒相器 一 工作原理 CMOS倒相器由一對互補(bǔ)的MOSFET組成 P管和N管互補(bǔ)對稱 VDD ViGDVO VGSP VDSP VDSN VGSN Ip IN SS 兩個(gè)柵級作輸入端兩個(gè)漏極出Vi 1 TN導(dǎo)通Tp截止Vo 0 Vi 0 Tp導(dǎo)通TN截止Vo 1 總有一個(gè)管子截止 靜態(tài)功耗小 P管 N管 28 二 直流傳輸特性電流方程 29 畫出電壓傳輸曲線并分區(qū) 分區(qū)線是Vi VTN VO Vi VTP VO Vi VTN Vi VDD VTP 分成5個(gè)區(qū) VDDVO0 Tp非TN截 Tp飽 TN飽TN非TP截 Vi VTN VO Vi VTP VO VTNV VDD VTPVDD Vi 靜態(tài)時(shí)I 0 狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)有電流脈沖通過 區(qū) VO VDD TN管截止 區(qū) TN飽和 TP非飽和1 4 區(qū) 均飽和1 3 區(qū) TN非飽和 TP飽和2 3 區(qū) TP截止VO 0 30 三 噪容 VO 0V Vi VNMLMVNMHM Vi VO 1 指定噪容 根據(jù)使用和電路工作要求預(yù)先給出臨界高低電平2 最大噪容 VNMHM VOH V VNMLM V VOL3 最佳噪容v 1 2 判斷傳輸特性好壞的標(biāo)準(zhǔn) 1 邏輯擺幅大2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)陡 垂直3 噪容大 31 四 功耗特性 反相器的功耗由三部分組成 靜態(tài)功耗Pc 瞬態(tài)功耗P動(dòng) 交變功耗Pt 動(dòng)態(tài)功耗 輸入為連續(xù)脈沖時(shí) 32 1 靜態(tài)功耗Pc CMOS倒相器靜態(tài)時(shí)總有一個(gè)管子導(dǎo)通 另一個(gè)截止 故Pc極低 它由電路中所有Pn結(jié)漏電流和表面漏電流形成 主要與三個(gè)因素有關(guān) 集成度 寄生二極管多Pc 芯片面積 寄生二極管的結(jié)面積 I漏 Pc 溫度 I漏 Pc 33 2 瞬態(tài)功耗P動(dòng) 對于CMOS 其靜態(tài)功耗很小 所以要重點(diǎn)考慮動(dòng)態(tài)功耗 當(dāng)反相器輸入為理想階躍波時(shí) 對負(fù)載電容和寄生電容充放電所消耗的功耗稱為瞬