大规模集成电路 第4章 数字集成电路设计基础1_图文


第四章 数字集成电路设计基础?
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4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.2 CMOS反相器 4.3 全互补CMOS集成门电路 4.4 改进的CMOS逻辑电路 4.5 移位寄存器、 锁存器、 触发器、 I/O 单元

4.1 MOS开关及CMOS传输门
4.1.1 单管MOS开关
1. NMOS单管开关 NMOS单管开关电路如图所示, CL为负载电容, UG为 栅电压, 设“1”表示UG=UDD, “0”表示UG=0(接地)。
Uo /(UG -UTH) UG Ui Uo CL Ui 0 1 UG 0 1 1

Uo 0 (理想0 ) 1 (非理想1 )

1 0 1

UG -UTH

Ui / (UG -UTH) (c)

(a)

(b)

NMOS单管开关

(a) 电路; (b) 等效开关; (c) 传输特性

(1) 当UG=“0”(接地)时, NMOS管截止(开关断开), 输出 Uo=0。 (2) 当UG=“1”(UDD)时, NMOS管导通(开关合上), 此时 视Ui的大小分两种情况:
① Ui<UG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压), 输入端呈开启状态, 设Uo初始值为零, 则Ui刚加上时, 输出端 也呈开启状态, NMOS管导通, 沟道电流对负载电容充电, 直至 Uo=Ui。
Uo /(UG -UTH) UG Ui Uo CL Ui 0 1 UG 0 1 1

Uo 0 (理想0 ) 1 (非理想1 )

1 0 1

UG -UTH

Ui / (UG -UTH) (c)

(a)

(b)

(2) 当UG=“1”(UDD)时, NMOS管导通(开关合上), 此时 视Ui的大小分两种情况:
① Ui<UG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压), 输入端呈开启状态, 设Uo初始值为零, 则Ui刚加上时, 输出端 也呈开启状态, NMOS管导通, 沟道电流对负载电容充电, 直至 Uo=Ui。 ② Ui>UG-UTH, 输入端沟道被夹断, 此时若Uo初始值小于(UG-UTH), 则输出端沟道存在, NMOS管导通, 沟道电流对CL充电, Uo上升。 但随着Uo上升, 沟道电流逐渐减小, 当Uo升至(UG-UTH)时, 输出端 沟道也被夹断, 导致NMOS管截止, 从而使输出电压Uo维持在(UGUTH) 不 变 。 若 此 时 Ui=UG=UDD , 则 输 出 电 压 Uo=UG-UTH=UiUTH=UDD-UTH
Uo /(UG -UTH) UG Ui Uo CL Ui 0 1 UG 0 1 1

Uo 0 (理想0 ) 1 (非理想1 )

1 0 1

UG -UTH

Ui / (UG -UTH) (c)

(a)

(b)

(2) 当UG=“1”(UDD)时, NMOS管导通(开关合上), 此时 视Ui的大小分两种情况:
① Ui<UG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压), 输入端呈开启状态, 设Uo初始值为零, 则Ui刚加上时, 输出端 也呈开启状态, NMOS管导通, 沟道电流对负载电容充电, 直至 Uo=Ui。 ② Ui>UG-UTH, 输入端沟道被夹断, 此时若Uo初始值小于(UG-UTH), 则输出端沟道存在, NMOS管导通, 沟道电流对CL充电, Uo上升。 但随着Uo上升, 沟道电流逐渐减小, 当Uo升至(UG-UTH)时, 输出端 沟道也被夹断, 导致NMOS管截止, 从而使输出电压Uo维持在(UGUTH) 不 变 。 若 此 时 Ui=UG=UDD , 则 输 出 电 压 Uo=UG-UTH=UiUTH=UDD-UTH

综上所述:对于NMOS晶体管开关 Ui<UG-UTH时,MOS管无损地传输信号; Ui>UG-UTH时,Uo=UG-UTH信号传输有损失,称为阈值损失, 对于高电平’1’,NMOS开关输出端损失一个UTH;

2. PMOS单管开关 PMOS单管开关电路如图所示, 其衬底接UDD。 (1) 当UG=“1”(接UDD, 高电平)时, PMOS管截止, 开关断开, Uo=0。 (2) 当UG=“0”(接地, 低电平)时, PMOS管导通, 视 Ui的大小不同, 也分两种情况:
① Ui=“1”(UDD)时, 输入端沟道开启导通, 电流给CL充电, Uo上 升, 输出端沟道也开启, 开关整个接通, 有Uo=Ui=“1”
UG Ui UD D Uo UG =“1 ” Ui 0 0 0 1 (b) 1 0 Uo =0 (非理想0 ) 实际比零高| THP| U (理想1 )

(a)

PMOS单管开关(a) 电路; (b) 等效开关

(2) 当UG=“0”(接地, 低电平)时, PMOS管导通, 视 Ui的大小不同, 也分两种情况:
① Ui=“1”(UDD)时, 输入端沟道开启导通, 电流给CL充电, Uo上 升, 输出端沟道也开启, 开关整个接通, 有Uo=Ui=“1” ② Ui=“0”(低电平)时, 输入端沟道被夹断, 此时要维持沟道导通, 则输出端沟道开启, 输出电压Uo必须比UG高一个PMOS管的阈值电 压|UTHP|。 因此, 当传输输入为0的信号时, 输出同样存在所谓的 “阈值损失”, 如图(b)所示, 即 ? Uo=|UTHP|
UG =“1 ” Ui Uo UD D 0 0 0 1 (b) 1 0 Uo =0 (非理想0 ) 实际比零高| THP| U (理想1 )

UG Ui

(a)

PMOS单管开关(a) 电路; (b) 等效开关

MOS开关电压传输范围
?

NMOS开关电压传输范围:
UTN

G

UGS=’1’

S

D

?

PMOS开关电压传输范围:
G
|UTP |

|UGS|=‘0’

S

D

结论:NMOS管是传输低电平(‘0’)的理想开关,传输高电平(‘1’)有阈值电压损失; PMOS管是传输高电平(‘1’)的理想开关,传输低电平(‘0’)有阈值电压损失。

UG Ui NMOS Uo PMOS Uo 0 UDD 0

UDD

UDD

UDD

(UDD-UTH ) UDD

(UDD-UTH )

0 |UTHP |

阈值损失波形示意图

4.1.2 CMOS传输门
根据NMOS和PMOS单管开关的特性, 将其组合 在一起形成一个互补的CMOS传输门, 这是一个没有 阈值损失的理想开关。 1. CMOS传输门电路 CMOS传输门电路如图所示 NMOS管和PMOS管的源极、 漏极接在一起, NMOS 衬底接地, PMOS衬底接UDD(保证了沟道与衬底之间 有反偏的PN结隔离), 二者的栅极控制电压反相, 即 UG N UGP= UGN 。
Ui UD D CL UG P Uo UG N UG P

传输门电路及栅极控制电压波形

Uo

2. CMOS传输门的直流传输特性 5 CMOS传输门的直流传输特性 4 如图所示
UG N UG N UG P

N管通

双管导通

P管通

3 2 1 0 1 UG N=5 V UG P=0 V UTH N=|UTHP|=0 .9 V 2 3 4 5 Ui

Ui

UD D CL UG P

Uo

不存在阈值损失问题: (1) 当UGN=“0”, UGP=“1”时, N管、 P管均截止, Uo=0。 (2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时, Ui由“0”升高到“1”的 过程分为以下三个阶段(设“1”为UDD=5U, “0”为接地, UTHN=|UTHP|=0.9 U):

Uo

2. CMOS传输门的直流传输特性 5 CMOS传输门的直流传输特性 4 如图所示
UG N UG N UG P

N管通

双管导通

P管通

3 2 1 0 1 UG N=5 V UG P=0 V UTH N=|UTHP|=0 .9 V 2 3 4 5 Ui

Ui

UD D CL UG P

Uo

(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时, Ui由“0”升高到“1”的过 程 ① Ui较小, 有 U -U >U N管导通 GN i THN N管导通区 |UGP-Ui|<UTHP P管截止 此时, N管接近理想开关, N管沟道电流向CL充电,使Uo=Ui。

Uo

2. CMOS传输门的直流传输特性 5 CMOS传输门的直流传输特性 4 如图所示
UG N UG N UG P

N管通

双管导通

P管通

3 2 1 0 1 UG N=5 V UG P=0 V UTH N=|UTHP|=0 .9 V 2 3 4 5 Ui

Ui

UD D CL UG P

Uo

(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时, Ui由“0”升高到“1”的过 程 ② Ui升高, 有 U -U >U N管导通 GN i THN 双管导通区 |UGP-Ui|>UTHP P管导通 此时, N管、 P管共同向CL充电, 仍使Uo=Ui。

Uo

2. CMOS传输门的直流传输特性 5 CMOS传输门的直流传输特性 4 如图所示
UG N UG N UG P

N管通

双管导通

P管通

3 2 1 0 1 UG N=5 V UG P=0 V UTH N=|UTHP|=0 .9 V 2 3 4 5 Ui

Ui

UD D CL UG P

Uo

(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时, Ui由“0”升高到“1”的过 程 ③ Ui再升高, 接近“1”时, 有 UGN-Ui<UTHN N管截至 P管导通区 |UGP-Ui|>UTHP P管导通 此时, P管向CL充电, 仍使Uo=Ui。

CMOS开关(传输门)
UGP=1,UGN=0时:双管截止,相当于开关断开; UGP=0,UGN=1时:双管有下列三种工作状态: ? Ui<UGN-UTHN N管导通, Ui< UGP+|UTHP| Uo=0时 P管截止 Ui通过N管对CL充电至:Uo=Ui ? Ui<UGN-UTHN N管导通,Ui>UGP+|UTHP| P管导通 Ui通过双管对CL充电至:Uo=Ui ? Ui> UGN-UTHN Uo=1 N管截止,Ui> UGP+|UTHP| P 管导通 Ui通过P管对CL充电至:Uo=Ui 通过上述分析,CMOS传输门是较理想的开关,它可将信 号无损地传输到输出端,并且CMOS传输门的直流输出特 性近似为线性。

3. CMOS传输门的设计
为保证导电沟道与衬底的隔离(PN结反偏), N管 的衬底必须接地, P管的衬底必须接电源(UDD)。 沟道电流ID与管子的宽长比(W/L)成正比, 为使 传输速度快, 要求ID大些, 沟道长度L取决于硅栅多 晶硅条的宽度, 视工艺而定。 一般L取工艺最小宽度 (2λ), 那么, 要使ID大, 就要将沟道宽度W设计得 大一些。


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