第5章、集成電路基本單元(1)

1、集成電路設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)SPICE簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介SPICE電路輸入語句電路輸入語句SPICE電路分析語句電路分析語句SPICE電路控制語句電路控制語句上一章上一章 集成電路模擬集成電路模擬3第五章第五章 集成電路基本單元集成電路基本單元123CMOS數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路雙極型數(shù)字集成電路雙極型數(shù)字集成電路4焊盤輸入輸出單元焊盤輸入輸出單元(I/O PAD)4雙極型數(shù)字集成電路雙極型數(shù)字集成電路TTL(transistor-transistor logic)TTL與非門與非門TTL反相器反相器ECL(emitter coupled logic)I2L(integrated

2、injection logic)5TTL基本單元電路基本單元電路與非門與非門(a)單管與非門單管與非門(b)(b)兩管與非門兩管與非門6TTL與非門工作原理與非門工作原理當(dāng)輸入端都為高電平時(shí)，當(dāng)輸入端都為高電平時(shí)，T1工作在反向工作在反向有源狀態(tài)，有源狀態(tài)，T2工作在飽和狀態(tài)，電路導(dǎo)工作在飽和狀態(tài)，電路導(dǎo)通，輸出低電平通，輸出低電平VOL： VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)當(dāng)輸入端有至少一端為低電平時(shí)，當(dāng)輸入端有至少一端為低電平時(shí)，T1工作在工作在深飽和狀態(tài)，深飽和狀態(tài)，T2工作在截止?fàn)顟B(tài)，電路工作在截止?fàn)顟B(tài)，電路截止，輸出低電平截止，輸出低電平VOH： VOH=

3、VCC-R2*IOH7電路特性電路特性電壓傳輸特性電壓傳輸特性：電路的輸出電壓與輸入電壓的：電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系關(guān)系負(fù)載能力負(fù)載能力：電路在正常工作條件下可以驅(qū)動(dòng)多：電路在正常工作條件下可以驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同類門，常用扇出少個(gè)同類門，常用扇出No表示表示瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性：輸入電壓在高低電平之間轉(zhuǎn)換時(shí)輸：輸入電壓在高低電平之間轉(zhuǎn)換時(shí)輸出電壓隨時(shí)間的變化，代表邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速出電壓隨時(shí)間的變化，代表邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度度電路功耗電路功耗：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗8TTL基本單元電路基本單元電路與非門改進(jìn)電路與非門改進(jìn)電路四管與非門及邏輯符號(hào)四管與非門及邏輯符號(hào)三管與非門三管與非門9

4、TTL基本單元電路基本單元電路與非門與非門五管與非門及多射極晶體管等效電路五管與非門及多射極晶體管等效電路10TTL基本單元電路基本單元電路與非門與非門11TTL基本單元電路基本單元電路反相器反相器反相器又稱非門反相器又稱非門12TTL基本門邏輯擴(kuò)展基本門邏輯擴(kuò)展 緩沖器緩沖器/與門與門/或非門或非門/或門或門/異或門異或門/異或非門異或非門/與或非門與或非門/或或與非門與非門 OC門門 三態(tài)門三態(tài)門 施密特邏輯門施密特邏輯門 觸發(fā)器觸發(fā)器13CMOS數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路CMOS反相器反相器CMOS傳輸門傳輸門CMOS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器14CMOS反相器反相器 NMOS和和PMOS的襯底分開的襯

5、底分開 NMOS的襯底接最低電位的襯底接最低電位地地 PMOS的襯底接最高電位的襯底接最高電位Vdd NMOS的源極接地，漏極接高電的源極接地，漏極接高電位位 PMOS的源極接的源極接Vdd，漏極接低，漏極接低電位電位 輸入信號(hào)輸入信號(hào)Vi加在兩管加在兩管g和和s之間，由于之間，由于NMOS的的s接地，接地， PMOS的的s接接 Vdd，所以，所以Vi對(duì)兩管參考電位不同。對(duì)兩管參考電位不同。 15CMOS反相器工作原理反相器工作原理Vin為低電平為低電平VOL（VOLVDD+Vtp）時(shí)，時(shí)， NMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通，PMOS截止截止 Vo = VOL16CMOS反相器工作原理反相器工作原理PMOS

6、視為視為NMOS的負(fù)載，可以像作負(fù)載線一的負(fù)載，可以像作負(fù)載線一樣，把樣，把PMOS的特性作在的特性作在NMOS的特性曲線上的特性曲線上Vi Vtn 導(dǎo)通Vi Vdd - |Vtp| 截止Vi Vdd - |Vtp| 導(dǎo)通NMOS：PMOS：整個(gè)工作區(qū)分整個(gè)工作區(qū)分為五個(gè)區(qū)域?yàn)槲鍌€(gè)區(qū)域A B C D E17CMOS反相器轉(zhuǎn)移特性反相器轉(zhuǎn)移特性(1)CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)態(tài)支路電流反相器的轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)態(tài)支路電流ABCDEVi0tnV2ddVddtpVVddVddVOVdsnI18CMOS反相器的轉(zhuǎn)移特性反相器的轉(zhuǎn)移特性(2) A區(qū)：區(qū)：0 Vi Vtn NMOS截止，截止，Idsn = 0

7、，PMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0 B區(qū)：區(qū)： Vtn Vi Vdd NMOS飽和導(dǎo)通，等效為電流源；飽和導(dǎo)通，等效為電流源；PMOS等效為非線性電阻。等效為非線性電阻。在在Idsn的驅(qū)動(dòng)下，的驅(qū)動(dòng)下，Vdsn自自Vdd下降下降, |Vdsp|自自0V開始上升。開始上升。 C區(qū)：區(qū)： Vi Vdd NMOS導(dǎo)通，處于飽和區(qū)；導(dǎo)通，處于飽和區(qū)；PMOS也導(dǎo)通，也導(dǎo)通， 處于飽和區(qū)；均等效于一處于飽和區(qū)；均等效于一個(gè)電流源。個(gè)電流源。 D區(qū)：區(qū)： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 與與B區(qū)情況相反，區(qū)情況相反，PMOS導(dǎo)通，處于飽和區(qū)，等效一個(gè)電流源；導(dǎo)通，處于飽和

8、區(qū)，等效一個(gè)電流源；NMOS強(qiáng)導(dǎo)通，等效于非線性電阻強(qiáng)導(dǎo)通，等效于非線性電阻 E區(qū)：區(qū)：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，截止，NMOS導(dǎo)通。導(dǎo)通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，與與A區(qū)相反區(qū)相反19CMOS反相器轉(zhuǎn)移特性反相器轉(zhuǎn)移特性(3) n/ p對(duì)轉(zhuǎn)移特性的影響對(duì)轉(zhuǎn)移特性的影響20CMOS反相器轉(zhuǎn)移特性反相器轉(zhuǎn)移特性(4)PMOS和和NMOS在在5個(gè)區(qū)域中的定性導(dǎo)電特性個(gè)區(qū)域中的定性導(dǎo)電特性ABCDEPMOSon+on+on+onoffNMOSoffonon+on+on+對(duì)于數(shù)字信號(hào)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，CMOS反相器靜態(tài)時(shí)，工作在反相器靜態(tài)時(shí)，工作在A區(qū)區(qū)

9、 或或E區(qū)區(qū)Vi = 0 (I = 0)Vo = Vdd( O = 1 )Vi = Vdd (I = 1)Vo = 0 ( O = 0 )狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)：狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)：(I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0) Is-s= 0 Pdc= 0Is-s 0Ptr 021CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性 研究瞬態(tài)特性必須考慮負(fù)載電容（下一級(jí)門的研究瞬態(tài)特性必須考慮負(fù)載電容（下一級(jí)門的輸入電容）的影響。輸入電容）的影響。 脈沖信號(hào)參數(shù)定義脈沖信號(hào)參數(shù)定義上升時(shí)間上升時(shí)間tr Vo=10%VomaxVo=90%Vomax下降時(shí)間下降時(shí)間tf Vo=90%VomaxVo=10%Voma

10、x 延遲時(shí)間延遲時(shí)間td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax 22CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性(續(xù)續(xù)1)Vi從從0到到1 CL放電放電NMOS的導(dǎo)通電流開始為飽和狀態(tài)而后轉(zhuǎn)為非飽的導(dǎo)通電流開始為飽和狀態(tài)而后轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，輸出脈沖的下降時(shí)間也可分為兩段來計(jì)和狀態(tài)，輸出脈沖的下降時(shí)間也可分為兩段來計(jì)算。算。23212onddtnLdVVVCdt1220.920.12ddtnddVVLddtnLfoVnddtnnddtnCVVCtdVVVVVCMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性(續(xù)續(xù)2)飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)假定假定VC(0 )=Vdd，恒流放電時(shí)間段，恒流放電時(shí)間段非飽和狀態(tài)

11、非飽和狀態(tài)212ondstndsdsLdVVVVVCdt0.12212ddddtnVoLfVVnddtnoodVCtVVVV 1920lnddtnLnddtnddVVCVVVtf = tf1 + tf224CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性(續(xù)續(xù)3)Vi從從1到到0，CL充電充電上拉管上拉管PMOS導(dǎo)通時(shí)先為飽和狀態(tài)而后為導(dǎo)通時(shí)先為飽和狀態(tài)而后為非飽和狀態(tài)，輸出脈沖上升時(shí)間可分為兩非飽和狀態(tài)，輸出脈沖上升時(shí)間可分為兩段來計(jì)算。段來計(jì)算。Vo|Vtp|25212opddtpLdVVVCdt1220.120.12tpddVLtpddLroVpddtppddtpCVVCtdVVVVVCMOS反

12、相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性(續(xù)續(xù)4)飽和狀態(tài)時(shí)飽和狀態(tài)時(shí)假定假定VC(0 )=0, 恒流充電時(shí)間段有恒流充電時(shí)間段有非飽和狀態(tài)時(shí)非飽和狀態(tài)時(shí)212opddtpddoddoLdVVVVVVVCdt0.92212ddtpVoLrVpddtpddoddodVCtVVVVVV1920lnddtpLddpddtpVVCVVV12rrrttt26CMOS反相器的反相器的功耗功耗特性特性靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗Ps：Ps=ID0*VDD動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗Pd充放電功耗充放電功耗Pc：Pc=f*CL*VDD2瞬態(tài)功耗瞬態(tài)功耗Pt：Pt1/2*f*VDD*Itmax(tr+tf) f*CL 總功耗總功耗Pa=Ps+P

13、d=Ps+Pc+Pt27各種形式的反相器版圖各種形式的反相器版圖 （a）垂直走向）垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)；（管結(jié)構(gòu)；（b）水平走向）水平走向MOS管結(jié)構(gòu)；管結(jié)構(gòu)；（c）金屬線從管子中間穿過的水平走向）金屬線從管子中間穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)；管結(jié)構(gòu)；（d）金屬線從管子上下穿過的水平走向）金屬線從管子上下穿過的水平走向MOS管結(jié)構(gòu)；管結(jié)構(gòu)；（e）有多晶硅線穿過的垂直走向）有多晶硅線穿過的垂直走向MOS管結(jié)構(gòu)。管結(jié)構(gòu)。2728 并聯(lián)反相器版圖并聯(lián)反相器版圖 （a）直接并聯(lián)）直接并聯(lián) （b）共用漏區(qū)）共用漏區(qū) （c）星狀連接）星狀連接 29傳輸門不僅是傳輸門不僅是MOS集成電路中的一種基本電集成電路

14、中的一種基本電路，而且還是一種基元，因?yàn)槠渌倦娐?，如路，而且還是一種基元，因?yàn)槠渌倦娐?，如反相器，?shí)際上也是由傳輸門組成的。有單溝道反相器，實(shí)際上也是由傳輸門組成的。有單溝道MOS傳輸門（傳輸門（NMOS傳輸門和傳輸門和PMOS傳輸門）及傳輸門）及CMOS傳輸門。傳輸門。傳輸門傳輸門30NMOS傳輸門傳輸門NMOS傳輸門只含有一個(gè)傳輸門只含有一個(gè)MOS管，柵極管，柵極加控制電壓加控制電壓V ，襯底接地。，襯底接地。MOS管的漏管的漏極極D與源極與源極S分別接輸入與輸出。輸出負(fù)分別接輸入與輸出。輸出負(fù)載是一個(gè)電容載是一個(gè)電容CL，它是后級(jí)的輸入電容，它是后級(jí)的輸入電容。31NMOS傳輸門

15、傳輸門(續(xù)續(xù)) MOS管的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。管的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。 D和和S在結(jié)構(gòu)上沒有任何差別。在結(jié)構(gòu)上沒有任何差別。通常，規(guī)定輸入端為通常，規(guī)定輸入端為D，輸出端為，輸出端為S。因?yàn)?。因?yàn)?這種電路是不加電源電壓的；這種電路是不加電源電壓的；電路正常工作所需的能量全由輸入端提供。電路正常工作所需的能量全由輸入端提供。 當(dāng)當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓就對(duì)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓就對(duì)CL充電，在充電，在CL上建立輸上建立輸出電壓，其能量由輸入端提供?；蛘叱鲭妷?，其能量由輸入端提供?；蛘逤L對(duì)輸入端放電，對(duì)輸入端放電，把能量還給輸入端。因而，把能量還給輸入端。因而，輸出電壓總是小于或等于輸入輸出電壓總是小于或等

16、于輸入電壓電壓。所以，規(guī)定輸入端為。所以，規(guī)定輸入端為D，輸出端為，輸出端為S。 當(dāng)當(dāng)NMOS傳輸門用作開關(guān)以傳輸邏輯信號(hào)時(shí)，傳輸門用作開關(guān)以傳輸邏輯信號(hào)時(shí)，傳輸傳輸“0”邏邏輯將是理想的。傳輸輯將是理想的。傳輸“1”邏輯則不理想，因?yàn)殡娖绞峭懟壿媱t不理想，因?yàn)殡娖绞峭懟模罕M管輸入的：盡管輸入Vi = Vdd，輸出卻為，輸出卻為Vo = Vdd VTn。 傳輸門不僅僅是一只開關(guān)，而且還有記憶能力。傳輸門不僅僅是一只開關(guān)，而且還有記憶能力。32PMOS傳輸門傳輸門1）PMOS管的門限電壓管的門限電壓VTp是負(fù)的，只有當(dāng)是負(fù)的，只有當(dāng)Vgs VTp ，即負(fù)得足夠時(shí)才會(huì)導(dǎo)通。，即負(fù)得足夠時(shí)才會(huì)導(dǎo)

17、通。2) 在在PMOS電路中，通常是加負(fù)電源電壓電路中，通常是加負(fù)電源電壓 Vdd，而正端接地。而正端接地。3) 襯底接最高電位，即地。襯底接最高電位，即地。I = inputO = output = phase(control)33PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))早期的早期的PMOS電路采用負(fù)電源，負(fù)邏輯，上述各點(diǎn)電路采用負(fù)電源，負(fù)邏輯，上述各點(diǎn)都正確。然而，都正確。然而，PMOS邏輯電路已經(jīng)淘汰。目前，邏輯電路已經(jīng)淘汰。目前，PMOS管僅用于管僅用于CMOS電路。它采用正電源，正邏電路。它采用正電源，正邏輯。于是，襯底接輯。于是，襯底接Vdd。PMOS傳輸門的工作原理同傳輸門的工作原理同NMO

18、S傳輸門完全一樣傳輸門完全一樣.PMOS傳輸門用作開關(guān)傳輸邏輯信號(hào)時(shí)傳輸門用作開關(guān)傳輸邏輯信號(hào)時(shí)傳輸傳輸“1”邏輯，邏輯， 將是理想的。將是理想的。傳輸傳輸“0”邏輯，邏輯， 不是理想的。因?yàn)殡娖绞遣皇抢硐氲?。因?yàn)殡娖绞峭懟?，蛻化的?即即Vi=0， Vomin=Vtp. PMOS放電放不到底！放電放不到底！34CMOS傳輸門傳輸門將將NMOS傳輸門和傳輸門和PMOS傳輸門的優(yōu)缺點(diǎn)加以傳輸門的優(yōu)缺點(diǎn)加以互補(bǔ)，互補(bǔ)， 得到特性優(yōu)良的得到特性優(yōu)良的CMOS傳輸門傳輸門P-gateN-gate傳輸門邏輯符號(hào)傳輸門邏輯符號(hào)35CMOS傳輸門（續(xù)）傳輸門（續(xù)） =0， NMOS和和PMOS都不導(dǎo)通，都

19、不導(dǎo)通， VO(t)= VO(t-Tp)， 不傳輸信號(hào)不傳輸信號(hào) =1， NMOS和和PMOS導(dǎo)通，導(dǎo)通， 有兩條通路有兩條通路若若I=0， 則則NMOS通路更有效通路更有效 CL可以放電放可以放電放到到 0若若I=1， 則則PMOS通路更有效通路更有效 CL可以充電充可以充電充到到 1 這樣，輸出電平要么是這樣，輸出電平要么是0，要么是，要么是1(Vdd)，沒，沒有電平蛻化，可理想地實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送。有電平蛻化，可理想地實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送。36CMOS基本邏輯電路基本邏輯電路 與非門和或非門電路：與非門和或非門電路：（a）二輸入與非門（）二輸入與非門（b）二輸入或非門）二輸入或非門 37CMOS與非門

20、的版圖與非門的版圖 （a）按電路圖轉(zhuǎn)換）按電路圖轉(zhuǎn)換 （b）MOS管水平走向設(shè)計(jì)管水平走向設(shè)計(jì) 38或非門版圖或非門版圖 （a）輸入向右引線）輸入向右引線 （b）輸入向上引線）輸入向上引線 39CMOS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 40存儲(chǔ)單元的等效電路存儲(chǔ)單元的等效電路 41焊盤輸入輸出單元焊盤輸入輸出單元輸入單元輸入單元:主要承擔(dān)對(duì)內(nèi)部電路的保護(hù)主要承擔(dān)對(duì)內(nèi)部電路的保護(hù)輸出單元輸出單元反相輸出單元反相輸出單元同相輸出單元同相輸出單元三態(tài)輸出單元三態(tài)輸出單元漏極開路輸出單元漏極開路輸出單元42焊盤輸入單元焊盤輸入單元 一般認(rèn)為外部信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力足夠大，輸入單一般認(rèn)為外部信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力足夠大，輸入單元不必具備

21、再驅(qū)動(dòng)功能。因此，輸入單元的結(jié)元不必具備再驅(qū)動(dòng)功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸入保護(hù)電路。構(gòu)主要是輸入保護(hù)電路。為防止器件被擊穿，必須為這些電荷提供為防止器件被擊穿，必須為這些電荷提供“泄泄放通路放通路”，這就是輸入保護(hù)電路。輸入保護(hù)分，這就是輸入保護(hù)電路。輸入保護(hù)分為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)。 43焊盤輸入單元例焊盤輸入單元例單二極管、電阻電路單二極管、電阻電路 雙二極管、電阻保護(hù)電路雙二極管、電阻保護(hù)電路 44焊盤輸出單元焊盤輸出單元 反相輸出反相輸出I/OPAD 反相輸出就是內(nèi)部信號(hào)經(jīng)反相后輸出。反相器反相輸出就是內(nèi)部信號(hào)經(jīng)反相后輸

22、出。反相器除了完成反相的功能外，另一個(gè)主要作用是提除了完成反相的功能外，另一個(gè)主要作用是提供一定的驅(qū)動(dòng)能力。后圖是一種供一定的驅(qū)動(dòng)能力。后圖是一種p阱硅柵阱硅柵CMOS結(jié)構(gòu)的反相輸出單元，由版圖可見構(gòu)造結(jié)構(gòu)的反相輸出單元，由版圖可見構(gòu)造反相器的反相器的NMOS管和管和PMOS管的尺寸比較大，管的尺寸比較大，因此具有較大的驅(qū)動(dòng)能力。因此具有較大的驅(qū)動(dòng)能力。45反相輸出單元例反相輸出單元例p阱硅柵阱硅柵CMOS反相輸出反相輸出I/OPAD 46反相輸出單元反相輸出單元(續(xù)續(xù))大尺寸大尺寸NMOS管版圖結(jié)構(gòu)和剖面管版圖結(jié)構(gòu)和剖面47焊盤同相輸出單元焊盤同相輸出單元 同相輸出同相輸出I/OPAD 同相

23、輸出實(shí)際上就是同相輸出實(shí)際上就是“反相反相反相反相”，或采用類，或采用類似下圖所示的偶數(shù)級(jí)的反相器鏈?？紤]到驅(qū)動(dòng)能力問似下圖所示的偶數(shù)級(jí)的反相器鏈?？紤]到驅(qū)動(dòng)能力問題，利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以大大地減小內(nèi)部負(fù)荷。即內(nèi)部題，利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以大大地減小內(nèi)部負(fù)荷。即內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)較小尺寸的反相器，這個(gè)反相器再驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)較小尺寸的反相器，這個(gè)反相器再驅(qū)動(dòng)大的反相器，在同樣的內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)能力下才能獲得大的反相器，在同樣的內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)能力下才能獲得較大的外部驅(qū)動(dòng)。較大的外部驅(qū)動(dòng)。48三態(tài)輸出三態(tài)輸出I/OPAD 所謂三態(tài)輸出是指單元除了可以輸出所謂三態(tài)輸出是指單元除了可以輸出“0”，“1”邏邏輯外，還可高阻輸出，即單元具有三種輸出狀態(tài)。同輯外，還可高阻輸出，即單元具有三種輸出狀態(tài)。同樣，三態(tài)輸出的正常邏輯信號(hào)也可分