數(shù)字集成電路電路設計

鄧軍勇djy@.c2章電路圖基礎CMOS集成電路版圖--概念、方法與工具2/6/20231第2章電路圖基礎2.42.5MOS晶體管傳輸門邏輯門理解電路圖的連接關系基本電學定律2/6/202322.1MOS晶體管CMOS導通條件閾值損失2/6/202332.1MOSFETStructure2/6/20234MOSFETStructure2/6/20235NMOSandPMOSwithWell2/6/20236導通條件2/6/20237NMOS單管開關2/6/20238PMOS單管開關2/6/20239CMOS開關RETURN2/6/2023102.2邏輯門（Gate）邏輯門可以直接或者組合形成布爾邏輯函數(shù)。幾乎任何布爾邏輯都可以由單個邏輯門實現(xiàn)，但通常并不這樣做。反相器與非門或非門復合邏輯門2/6/2023112.2.1反相器inOut01102/6/2023122.2.2兩輸入與非門（NAND2）In1In2Out0010111011102/6/2023132.2.3兩輸入或非門（NOR2）In1In2Out0010101001102/6/2023142.2.4CMOS復合邏輯門同一個組合邏輯可以用不同的電路來實現(xiàn)設計原則包含的門數(shù)及管數(shù)盡可能的少門的連接關系盡量簡單多用反相門（NAND、NOR等），少用同相門（AND、OR等）設計目標減少芯片面積→降低芯片成本縮短互連線→提高傳輸速度2/6/2023152.2.4CMOS復合邏輯門2/6/2023162.2.4CMOS復合邏輯門P管：并與串或N管：串與并或S1S2VDDY2/6/2023172.2.4CMOS復合邏輯門2/6/2023182.2.4CMOS復合邏輯門2/6/2023192.2.4CMOS復合邏輯門異或門同或門2/6/2023202.3傳輸門ABOUT00弱001010X11000101110X11弱1IN00001111應用多路選擇器異或門、同或門運算電路（如加法器）時序部件2/6/2023212.3利用傳輸門實現(xiàn)異或邏輯2/6/202322鏡像電路實現(xiàn)XOR的鏡像電路2/6/202323鏡像電路實現(xiàn)XOR的鏡像電路電路對稱版圖結構對稱2/6/202324鏡像電路實現(xiàn)XNOR的鏡像電路鏡像電路實現(xiàn)2/6/202325準nMOS電路準nMOS結構nMOS

邏輯電路用1個pFET為負載2/6/202326準nMOS電路準nMOS反相器:輸出低電平2/6/202327準nMOS電路準nMOS反相器:實例2/6/202328準nMOS電路準nMOSNAND2/NOR22/6/202329準nMOS電路準nMOS

AOI2/6/202330準nMOS電路準nMOS特點優(yōu)點電路簡單，需要FET數(shù)少，占用芯片面積少

CMOS門：N個輸入需要2N個FET

準nMOS門：N個輸入需要N+1個FET適用于版圖面積受限或者扇入很大或者速度要求較快的場合缺點低電平VOL與pFET和nFET的尺寸比有關（有比邏輯）存在靜態(tài)功耗（輸出低電平時，pFET與PDN形成導電通道）2/6/202331動態(tài)CMOS電路基本結構預充電管:提供輸出高電平時鐘信號：控制電路的工作并實現(xiàn)同步求值控制管:保證預充電期間無靜態(tài)功耗實現(xiàn)邏輯操作輸出電容：包括結電容、扇出門輸入電容和布線電容，保持預充電電平2/6/202332動態(tài)CMOS電路版圖:NAND32/6/202333動態(tài)CMOS電路（存在的問題）1、輸入變量只能在預充電期間變化，在求值階段必須保持穩(wěn)定

時鐘上升沿前：Ma、Mb均截止，CL上電荷充滿，以保持其高電平

時鐘上升沿后：Ma導通，Mb截止，CL上的電荷在CL和CA間重新分配，使Vout有所下降電荷分享（Chargesharing）FET之間的寄生電容與負載電容分享放電電荷和充電電荷，導致輸出電壓衰減2、電荷分享（Chargesharing）2/6/202334動態(tài)CMOS（存在的問題）動態(tài)CMOS門的輸入若出現(xiàn)1→0的翻轉(zhuǎn)，就會導致預充電電荷的損失要避免這種損失，應使動態(tài)CMOS門在求值時只出現(xiàn)0→1的翻轉(zhuǎn)，方法是在預充電期間置所有的輸入為0在動態(tài)CMOS單元之間加1個反相器（多米諾單元）3、多級不能直接級聯(lián)2/6/202335多米諾邏輯多米諾邏輯單元構成基本動態(tài)邏輯靜態(tài)反相器2/6/202336多米諾邏輯基本邏輯門多米諾邏輯門實例2/6/202337多米諾邏輯邏輯鏈構成2/6/202338多米諾邏輯名稱由來只有當所有前級的電平轉(zhuǎn)換已完成，本級才會有動作。預充電求值2/6/202339C2MOS電路C2MOS:時鐘控制CMOS電路nFET靜態(tài)邏輯電路pFET靜態(tài)邏輯電路三態(tài)輸出控制2/6/202340C2MOS電路三態(tài)反相器2/6/202341C2MOS電路C2MOS門電路使tr↑使tf↑2/6/202342C2MOS電路C2MOS門:版圖2/6/202343C2MOS電路C2MOS門:特點C2MOS的作用通過控制邏輯門的內(nèi)部操作，同步通過邏輯鏈的數(shù)據(jù)流C2MOS的不足高阻態(tài)下，電荷泄漏→Vout不能永久保持，其保持時間必須>時鐘周期→時鐘頻率f>fminVout衰減的原因：電荷泄漏、亞閾值電流等2/6/202344D鎖存器電路(傳輸門實現(xiàn)二選一)QDclkclk!clk!clkclkinputsampled(transparentmode)feedback(holdmode)clk012/6/202345基于二選一電路的D鎖存器正時鐘Latch負時鐘LatchQ=!clk&Q|clk&DQ=clk&Q|!clk&DQDclk01反饋clk為低時輸出等于輸入clk為高時輸出等于輸入QDclk10反饋將反饋環(huán)路斷開實現(xiàn)輸入采樣2/6/202346主從D觸發(fā)器MasterQMD01Q10SlaveQMDclk01Qclk10SlaveMasterclkQMQDclkDFFQDclk=0transparent

holdclk=01hold

transparent2/6/2023472.4理解電路圖連接關系RETURN2/6/2023482.5回顧電學基本定律2.5.1歐姆定律2.5.2Kirchhoff定律Kirchhoff電流定律Kirchhoff電壓定律2.5.3電阻2.5.4電容2.5.5延時計算2/6/2023492.5.1歐姆定律V=I×RMOS管等效電阻2/6/2023502.5.2Kirchhoff定律Kirchhoff定律Kirchhoff電流定律：流入任一電學節(jié)點的電流的代數(shù)和為零；

或者，流入節(jié)點的電流總和等于流出節(jié)點的電流總和。Kirchhoff電壓定律：在一個閉環(huán)回路中的電壓降之和等于該電路外加總電壓，即，輸入電壓總量等于電路中所有的電壓降。2/6/2023512.5.3電阻電阻即導體導電的阻力（能力）。在IC設計中約定，導電層的電阻值計算用每“平方面積”的阻值來表示?！捌椒矫娣e”定義為導體長度等于寬度時的面積。ρ是導體層的電阻率，單位是Ω/□，l是長度，w是導體的寬度。2/6/2023522.5.4電容電容是在指定節(jié)點和參考節(jié)點之間每單位電壓一個物體或?qū)w所能支持的電荷總量。