王向展电子科大微固学院集成电路原理与设计.pptx

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1、2023/2/13 2:081 4.1 MOS器件的基本电学特性4.1.1 MOSFET的结构与工作原理 MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子（多数载流子）器件。用跨导描述放大能力。第1页/共115页2023/2/13 2:082图4.1 NMOS结构示意图 MOSFET(器件/电路)的特点1.只靠一种载流子工作，称为多子器件。2.可看作“压控电阻器”。3.无少子

2、存储效应，可制成高速器件。4.输入阻抗高，驱动电流小。适于大规模集成，是VLSI、ULSI的基础。低压低功耗电路。5.热稳定性好。(负温度系数)6.缺点是导通压降大，输入电容大，驱动能力弱。第2页/共115页2023/2/13 2:083图4.2 不同VG下NMOSFET能带分布 第3页/共115页2023/2/13 2:0844.1.2 MOSFET的阈值电压阈值电压-使MOS器件沟道区进入强反型(S=2FB)所加的栅电压。(4.1)第4页/共115页2023/2/13 2:085式中 MS-栅与衬底的接触电势差VBS-衬底与源之间的衬偏电压 S-衬底表面势 FB-硅衬底的体费米势QSS-硅

3、与Si2O界面的单位面积电荷量(C/cm2)QB0-零衬偏时Si2O下面耗尽层单位面积的电荷量(C/cm2)Qi-调沟离子注入时引入的单位面积电荷量(C/cm2)Cox-电位面积的栅电容VFB-平带电压 -体效应因子（衬底偏置效应因子）(V1/2)第5页/共115页2023/2/13 2:086(C/cm2)(“+”for PMOS,“”for NMOS)(C/cm2)NSS=1010 1011 (cm-2)(F/cm2)第6页/共115页2023/2/13 2:087ni=1.5 1010cm-3 （测量值）MS=体材料的接触电势 栅材料的接触电势（注：接触电势相对于本征Si而言）第7页/共

4、115页2023/2/13 2:088第8页/共115页2023/2/13 2:089例4.1 求解Vth,已知：N+Poly-Si栅NMOS晶体管，栅氧厚度tox=0.1m，NA=31015cm-3，ND=1020cm-3，氧化层和硅界面处单位面积的正离子电荷为1010cm-2，衬偏VBS=0V。求：Vth，。解：解：NMOS衬底费米势为衬底费米势为N+Poly-Si栅接触电势栅接触电势Poly-Si=0.56(V)得：得：第9页/共115页2023/2/13 2:0810第10页/共115页2023/2/13 2:08114.1.3 MOSFET的简单大信号模型参数1、非饱和区(VGSVt

5、h，VDS(VGS-Vth)(4.2)2、饱和区(VGSVth，VDS(VGS-Vth)(4.3)第11页/共115页2023/2/13 2:0812对于Si：n=580 cm2/(Vs)，p=230 cm2/(Vs)W,L均为有效尺寸K=COX (A/V2)导电系数 =(COX W)/L (A/V2)跨导参数 沟道长度调制因子(V-1)5 m硅栅P栅CMOS工艺典型值：第12页/共115页2023/2/13 2:0813例4.2 计算MOS管IDS已知：N+Poly-Si栅NMOS晶体管宽长比W/L=100m/10m，漏、栅、源、衬底电位分别为5V，3V，0V，0V。n=580 cm2/(V

6、s)，其他参数与例4.1相同。求：漏电流IDS；若漏、栅、源、衬底电位分别为2V，3V，0V，0V，则IDS=？解：由已知VGS=3V，VDS=5V，VBS=0V，Vth=0.439V VDS=5V(VGS-Vth)=3-0.439=2.561(V)器件工作在饱和区，则：（若不考虑沟道长度调制，IDS=0.63mA）第13页/共115页2023/2/13 2:0814 如果VGS=3V，VDS=2V，VBS=0V，则 VDS=2V(VGS-Vth)=3-0.439=2.561(V)器件工作在非饱和区，有：第14页/共115页2023/2/13 2:08154.1.4 MOSFET小信号模型参数

7、1、跨导gm 表征了MOSFET栅压对漏源电流的控制能力(VDS恒定)。(1)饱和区：(4.4)第15页/共115页2023/2/13 2:0816 (2)非饱和区：2、沟道电导gds 表征了MOSFET漏源电压对漏源电流的控制能力(VGS恒定)。(1)饱和区：(4.5)(4.6)第16页/共115页2023/2/13 2:0817 (2)非饱和区：3、品质因数 0 表征开关速度正比于栅压高出阈值电压的程度，可作为频率响应的指标。其中，为载流子沟道渡越时间。(4.7)(4.8)第17页/共115页2023/2/13 2:0818 Tips 高速电路需gm尽可能大。VGS ，或Vth 0 ，有利

8、于电路速度提高。但：VGS VDS ，电路功耗增大。Vth 逻辑摆幅，电路抗干扰能力下降。晶向的n型反型层（p型衬底）表面电子迁移率大于晶向的迁移率，大约为晶向p型反型层中空穴迁移率的3倍。所以，高速NMOS电路多选择晶向p型衬底。第18页/共115页2023/2/13 2:08194.1.5 MOSFET分类与比较1、MOS器件分类第19页/共115页2023/2/13 2:08202、MOSFET的符号 源极的箭头将源漏区分开，同时标明了源极载流子所形成的电流方向。衬底的箭头方向可以认为是沟道(N或P)与衬底所形成的PN结的方向。源漏两极在物理上并无区别，只有在加上电源(和偏置)时才出现工

9、作点的差异。电路图中应尽量使用简洁的符号，除非必要，不必给出衬底的连接。图4.3 MOSFET的符号 第20页/共115页2023/2/13 2:08213、MOSFET的特性图4.4 NMOSFET的特性 第21页/共115页2023/2/13 2:0822图4.5 PMOSFET的特性 第22页/共115页2023/2/13 2:08234、Vth的比较Al栅：E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-PMOS 0 硅栅：E-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 D-PMOS 0 +(N+)第23页/共115页2023/2/13 2:0824P+硅栅：E

10、-NMOS 0 +D-NMOS 0 +E-PMOS 0 +D-PMOS 0 +在集成电路工艺中，通常需要对阈值电压进行调整，使之满足电路设计的要求，此工序称为“调沟”。即向沟道区进行离子注入（Ion Implantation）,以改变沟道区表面附近载流子浓度，与此相关的项用 表示。一般调沟用浅注入，注入能量在60 80KeV左右；若异型注入剂量、能量较大，则可注入到体内，形成埋沟MOS（Buried-Channel MOS）。第24页/共115页2023/2/13 2:08254.1.6 MOSFET和Bipolar BJT的比较MOSFET Metal Oxide Semiconductor

11、 Field Effect TransistorBJT Bipolar Junction Transistor 特性不同（图4.6，工作区的定义不同）工作原理不同（流控与压控，与gm）输运机制不同（少子器件与多子器件，双极与单极）第25页/共115页2023/2/13 2:0826图4.6 Bipolar BJT与MOS器件输出特性曲线 第26页/共115页2023/2/13 2:0827 4.2 NMOS逻辑IC4.2.1 静态MOS反相器分类与比较1、各种静态MOS反相器反相器？第27页/共115页2023/2/13 2:0828图4.7 各类静态MOS反相器 第28页/共115页2023

12、/2/13 2:08292、静态MOS逻辑电路（反相器）的比较 PMOS反相器（最早进入市场）优点：工艺简单、成熟、成本低。缺点：工作速度低（p较低门延迟一般几百ns）。工作电压高（-18 -24V）功耗大。进一步降低功耗提高速度困难。NMOS反相器 优点：迁移率高(n=2 3 p)工作速度 VT低工作电压VDD功耗改善。工作电平易于与双极电路匹配。缺点：工作过程中负载管始终开启功耗较大。第29页/共115页2023/2/13 2:0830 CMOS反相器 优点：极小的静态功耗 极高的输入阻抗（108）较高的速度 较大的噪声容限 缺点：工艺复杂，对设备要求较高 BiCMOS(CMOS+Bipo

13、lar)反相器 既有BJT的高速度、高驱动能力和高精度模拟性能，又有CMOS电路的低功耗、高集成度的优点。第30页/共115页2023/2/13 2:08313、静态MOS逻辑电路的特点（1）可在直流电压下工作。（2）当完成一个逻辑过程后，只要条件不变，其最终结果可长时间以一种稳定状态保持下来。（3）电路的线路形式可与同功能的双极型电路类似。第31页/共115页2023/2/13 2:08324.2.2 NMOS反相器1、电阻负载 反相器静态特性通常用电压传输特性（VOVi）来描述。可由负载的伏安特性、输入管特性及电源电压三要素导出。图4.8 电阻负载反相器（4.9）负载线方程：（4.10）可

14、得：第32页/共115页2023/2/13 2:0833（4.11）图4.9 电阻负载NMOS反相器负载方程曲线和传输特性曲线 第33页/共115页2023/2/13 2:0834由传输特性曲线可见：（1）VOH=VDD（2）RL，VOL（3）RL，过渡区变窄 要使反相器性能，须有大阻值RL。扩散电阻，面积 MOS静态存储器常用离子注入多晶硅电阻（R=106107）一般反相器用MOSFET作有源负载第34页/共115页2023/2/13 2:08352、饱和负载反相器（E/E）负载管TL：VDS=VGS (VGS-VT)。TL始终处于饱和区，因此称为饱和负载反相器。（1）静态特性(输出特性、传

15、输特性和直流噪声容限)F输出特性 主要考虑开态(导通态：Ion、Von)和关态(截止态：Ioff、Voff)。图4.10 E/E饱和负载NMOS反相器 第35页/共115页2023/2/13 2:0836开态时，负载管TL：(4.12)而：即：(4.13)第36页/共115页2023/2/13 2:0837 可见，要使VOL，须有gmLgmI，即：(W/L)L1。高增益过渡区 电压放大系数KV 输入管跨导gmI。图4.12 直流噪声容限 VIL、VIH分别为输入低电平上限和输入高电平的下限。VNML、VNMH则为低电平噪容和高电平噪容。第40页/共115页2023/2/13 2:0841（2）

16、瞬态特性 （不考虑MOS管本身的存贮时间和渡越时间，电路输出端的全部电容等效为负载电容，输入波形为理想方波）当VOH/VOL=15 20，计算下降（放电）时间tf的简化公式为 图4.13 考虑了延迟的输出波形(4.20)显然，CL，tf。即电容存贮的电荷量减小，对于相同的泄放电流所需的放电时间就变短。第41页/共115页2023/2/13 2:0842而上升（充电）时间近似计算公式：在上升过程中，VO升高，TL衬底偏置效应，VthL，当VOVOH=VDD-VthL，TL处于临界导通状态，导通电阻很大，导电电流很小，上升过程变缓，充电时间曲线拖着一个“长尾”。改进措施：采用非饱和负载、自举负载。

17、(4.21)从上式可以看出，CL，L 都可使tr。第42页/共115页2023/2/13 2:0843（3）速度功耗乘积 静态功耗 反相器不接负载处于导通状态时的功耗。平均直流静态功耗：瞬态附加功耗Pt 反相器做开关器件使用时，在高低电平转换期间对负载电容CL充/放电所消耗的功率。其中，f为开关频率，（一般trtf）。(4.22)(4.23)(4.24)第43页/共115页2023/2/13 2:0844要降低MOS电路的功耗，应该降低VDD，减小导通电流；而要提高MOS电路的工作速度，应该降低tr，增大负载电容的充电电流，由式4.21知，可见，降低功耗与提高速度是矛盾的!因此需要有一个新的指

18、标来综合衡量电路性能 集成电路优值（延时功耗积）。延时功耗乘积：（4.25）定义平均延迟时间：第44页/共115页2023/2/13 2:08453、非饱和负载反相器 负载管TL栅极偏置使TL处于非饱和区，且VOH可达到VDD。图4.14非饱和负载 E/E NMOS反相器 特点：反相器截止时，TL处于充分导通状态(虽然VthL随着VO 而增大，但VGG较大，即使输出VOH=VDD时仍能保证VGSL VthL，即TL充分导通，从而饱和负载反相器上升沿“长尾”现象得到改善)，充电电流，tr，有利于提高速度。但需双电源，且功耗大，综合而言，其电路优值改进不大。第45页/共115页2023/2/13

19、2:08464、自举负载反相器(P113 7.1)工作原理：预充电管T3的作用是使T2的VG(VDD-VT3)。电容Cb起正反馈的作用，使T2的栅电压随VO的升高而升高“自举”（即Bootstrapping，发生在VO上升过程）。图4.15自举负载 NMOS反相器 实际上Cb、Cs无需专门制作，均为器件的寄生电容。其中 Cb T2管G、S间的MOS电容 Cs T2管G、B间寄生电容+T3管源扩散区势垒电容 第46页/共115页2023/2/13 2:0847由于Cb的反馈作用而在T2栅极产生一迭加电压：（4.26）其中 称为自举率。为使T2进入非饱和态：（4.27）即（4.28）则（4.29）

20、第47页/共115页2023/2/13 2:0848 一般，集成工艺中一般nMOS器件阈值电压相同，即VT2=VT3=VT，当 V=VO=2VT时，就有VG2=VDD-VT+2VT=VDD+VT，此时达到饱和/非饱和临界状态。VO继续增大，VG2电位随着升高，T2管进入非饱和区，同时可使瞬态VOH=VDD，且提高了工作速度，该电路静态VOH=VDD-2VT。为了提高自举电容作用，应增大自举率，即Cb，Cs。另外，常用的自举负载还有两种改进型结构，如图4.16所示。第48页/共115页2023/2/13 2:0849 其中，T4为提拉管，使VOH=VDD-VT4，R为上拉电阻使VOH=VDD。图

21、图4.16 两种改进型自举负载反相器两种改进型自举负载反相器第49页/共115页2023/2/13 2:08505、E/D NMOS反相器(P115 7.2)负载管TL为耗尽型NMOS，VGSL=0VTD，始终导通，且在大部分时间内工作在饱和区,保持恒流特性:ID(VTD2)/2,与E/E NMOS反相器相比，有更长的时间以较大的电流充图4.17 E/D NMOS反相器 电，tr；随着VO的升高，VTD 因衬偏效应而降低，充电电流有所下降，总体来看，其性能优于E/E反相器。第50页/共115页2023/2/13 2:0851E/D NMOS反相器的主要特点：（1）VOHmax=VDD，可在低电

22、源电压下工作。（2）直流特性强烈依赖于VTD，由ID饱和=IE非饱可得：（4.30）VTD ，VOL，不需调整W/L，可使芯片面积减小。（3）负载管具有恒流源特性，工作速度较快。第51页/共115页2023/2/13 2:08526、小结有比电路的缺点：直流功耗较大（Vi=“1”，两管同时导通）两元件相互依赖（为保证VOL足够低，R大）输出波形的上升沿和下降沿极不对称（充放电能力不同）图4.18不同负载形式的充放电能力比较 CMOS CMOS互补反相器互补反相器互补反相器互补反相器(Complementary MOS)(Complementary MOS)第52页/共115页2023/2/13

23、 2:0853 4.3 CMOS反相器图4.19 P阱CMOS反相器剖面图（1）P阱CMOS反相器 由PMOS工艺发展而来，并与之兼容。n-Sub掺杂浓度较低，而P阱浓度较高(一般高1 2量级),使 Vtp，较易 实现Vtn=Vtp，无需离子注入调沟。NMOS做在阱内，迁移率较低，有利于与PMOS性能相匹配。第53页/共115页2023/2/13 2:0854（2）N阱CMOS反相器 图4.20 N阱CMOS反相器剖面图 与E/D NMOS工艺相兼容便于制作与TTL逻辑兼容的NMOS-CMOS混合电路。NMOS做在轻掺杂的p-Sub上，迁移率高、Cj和 低，尤其适用于C2MOS，多米诺电路等采

24、用NMOS器件较多的动态电路。N阱中衬底电流为电子电流，n较高，寄生电阻较小，衬底电流易于泄放，寄生衬底电压较低。第54页/共115页2023/2/13 2:08554.3.1 CMOS逻辑电路的特点（1）静态功耗极低（W nW）。（2）工作电源电压范围宽（3 18V）。（3）抗干扰能力强，其直流噪声容限一般可达到30 40%VDD。（4）逻辑摆幅大（VSS VDD）。（5）输入阻抗高（108 1010）。（6）扇出能力强。（扇出因子N0可达50，但随着所带电路数目的增多，工作速度有所下降）。（7）温度稳定性好。（8）抗辐射能力强。（9）成本低。（10）动态功耗与工作频率密切相 关（P动=CL

25、fVDD2）。第55页/共115页2023/2/13 2:0856 CMOS逻辑 TTL逻辑塑料封装 -40+85 0+70陶瓷金属封装 -55+125 -55+125注意：MOS器件的亚阈区和饱和区的温度特性有所不同。亚阈区：（VGSVGS-Vth0）负温度系数。第56页/共115页2023/2/13 2:08574.3.2 CMOS反相器特性分析(P116 7.3)1、CMOS反相器工作原理 结合如前所示的CMOS反相器电路结构和剖面示意图，分析其工作过程如下：Vi=“0”时：VGSn=0，VGSp=-VDD p管导通，n管截止 Vo=“1”=VDD。Vi=“1”时：VGSn=Vi，VGS

26、p=0 n管导通，p管截止 Vo=“0”（=0V）即：VOH VOL=VDD 最大逻辑摆幅，且输出摆幅与p、n 管 W/L无关(无比电路无比电路)。第57页/共115页2023/2/13 2:08582、CMOS反相器直流特性 （1）直流传输特性 传输特性工作区：负载管（P）输入管（N）I：非饱和 截止II：非饱和 饱和III：饱和 饱和IV：饱和 非饱和V：截止 非饱和图4.21 传输特性与工作区划分 第58页/共115页2023/2/13 2:0859由反相器电路结构得反相器p、n管各偏置电压关系：（4.31）（4.32）则 其中：（4.33）*K的这种定义仅 限于此处 第59页/共115

27、页2023/2/13 2:0860特性分析：I区：n管截止，VOH=VDDII区：Ip非+In饱=0，则参照式4.32，有（4.34）III区：Ip饱+In饱=0，此时反相器电流达到最大值，Vo随Vi变化 剧烈，称为高增益区或过渡区，有（4.35）第60页/共115页2023/2/13 2:0861其中，V*-转换电平，若 VTn=VTp，且Kp=Kn V*=VDD/2。IV区：Ip饱+In非=0，由式4.32得（4.36）V区：p管截止，VOL=0。实际上，p或n管截止时，反相器仍有微弱静态漏电流通过，主要由电路中pn 结漏电或表面漏电引起VOL 0，VOH VDD。第61页/共115页20

28、23/2/13 2:0862（2）直流噪声容限直流噪声容限表征主要有两种：指定噪容和最大噪容。指定噪容 多用于实际生产对TTL电路的评价，即 高电平噪容：VNMH=VOH-VIH 低电平噪容：VNML=VIL-VOL 高电平噪容表征被驱动级输入高电平时的抗干扰能力，即：若驱动级输出VOH时，出现负向脉冲 V，当 V VOH VIH,仍可使被驱动级确认为输入高电平；V VOH VIH,此时实际加在被驱动级输入端电平不足以使输入管开启导通，不会被认为输入的是高电平(误操作)。第62页/共115页2023/2/13 2:0863 最大噪容 以直流传输特性曲线与Vi=VO的直线交点所对应的输入电压分别

29、与电源VDD和零电平之差作为高低电平的噪容。MOS电路为设计方便起见，多采用此指标表示抗干扰能力。对于CMOS，该交点即转换电压V*。（4.37）将V*归一化，由4.35式得（4.38）第63页/共115页2023/2/13 2:0864式中 欲获得良好的噪容特性，要求：VNMHM=VNMLM 只须 或 V*=0.5同时可知：当 0=1，p=n即可满足。图4.22 最大噪声容限示意图(4.39)第64页/共115页2023/2/13 2:0865判断一个反相器传输特性优劣的标准：逻辑摆幅要大。（对于CMOS，应控制泄漏电流）转换区特性曲线要陡。（放大系数，gm）噪容要大。（VOH VOL=VD

30、D，V*=VDD/2）图4.23 开关时间的定义3、CMOS反相器瞬态特性输入为阶跃信号。忽略MOS器件本身的响应时间。全部寄生电容用CL等效。开关延迟时间第65页/共115页2023/2/13 2:0866(1)上升/下降时间(P120 7.3.3)tr：VO由0.1VDD 0.9VDD，tf：VO由0.9VDD 0.1VDD。(4.40)(4.41)第66页/共115页2023/2/13 2:0867tr、tf的简化公式：上升时间tr (假定对CL充电的整个过程，P管处于饱和状态)，对CL的充电：（4.42）（4.43）令VO=VDD时所需时间为上升时间tr，则（4.44）第67页/共11

31、5页2023/2/13 2:0868若取 VTp =0.2VDD，则（4.45）同理，取VTn=0.2VDD，则下降时间tf（4.46）当VTn=VTp，Kp=Kn时，tr=tf，即输出波形完全对称，实际上此时充放电电流相等。第68页/共115页2023/2/13 2:0869（2）对延迟时间TD CMOS多级级联电路中，取经两级反相后的非阶跃输入信号与输出信号相对波形50%幅度点的时间间隔来表示延迟时间（图4.24）。因此又称“对延迟时间”TD。图4.24 对延迟时间的定义示意 第69页/共115页2023/2/13 2:0870TD的近似表达式：（当 n+p几MHz)时，PT将十分显著。第

32、74页/共115页2023/2/13 2:0875图4.25 输入为非阶跃信号时的交变动态功耗 第75页/共115页2023/2/13 2:0876 由前面的直流特性分析可知，阶跃信号输入条件下不存在两管同时导通，动态功耗只取决于瞬态功耗PT。但若输入为非阶跃信号，如图4.22所示，在开关过程中，有段p管、n管同时导通的状态产生暂态附加功耗或交变（Alternation）功耗 PA。（4.55）其中，I为暂态附加电流。第76页/共115页2023/2/13 2:0877CMOS反相器总功耗包括三部分：其中以动态功耗为主，因此要降低功耗，关键要使VDD。可采用LV/LP技术，通过改进电路拓扑，设

33、计新型器件结构，选用先进工艺等技术以达到降低功耗的目的。（4.56）第77页/共115页2023/2/13 2:08784.3.3 CMOS传输门(P152 8.6)一、nMOS传送晶体管 1、工作原理 如图4.26示，输入信号Vi通过一栅极受VG控制的nMOS M1送到反相器输入端，其中M1称为信号传送器，此结构多用于动态存储电路中。其工作过程如下：图4.26 NMOS传送晶体管 VG=“0”M1截止，Vi不能传送，Va端维持原态。VG=“1”设VGH=VDD，则：(1)Vi=“0”Vi 端为S端，VGS=VDD，M1 导通，Va=Vi=“0”。(2)Vi=“1”(VDD)第78页/共115

34、页2023/2/13 2:0879l若Va=“0”(0V)，则此时，Vi端为D，Va为S端，有VGS=VDD，VDS=VDD，M1导通，Va电位升高至(VDD-VTn)，信号传送范围受到限制。l若Va=“1”（VDD），则VGS=VDS=0，M1截止，但此时传送的信号Vi=“1”=VDD，而Va=VDD其逻辑效果与M1导通等效。注意：不可将两个信号分别加在VG、Vi上以传送晶体管实现与门功能。（VG=“0”时，传送管截止，但不能保证Va初态为“0”）第79页/共115页2023/2/13 2:08802、传送晶体管的优缺点 (1)单管，占用芯片面积小。(2)三端器件，可尽可能减小电路的内部连线

35、。(3)不需直流电源（时钟信号+输入信号）(4)信号传送过程中，ron变化较大（VGS、VDS变化）(5)不宜直接驱动CMOS门电路。3、传送晶体管的串联图4.27 多个传送晶体管的串联结构?第80页/共115页2023/2/13 2:0881 通过把多个传送管串联起来控制输入信号的逻辑走向，如图4.27所示。与其他结构相比，占用芯片面积小，连线少，但应注意两个问题：(1)传输延迟 设：R-D、S间等效电阻，C-栅电容+D、S与衬底间的扩散电容。得延迟时间常数=RC，则延迟时间：tpd N2=N2RC (N为串联级数)(4.57)通常串联数目不超过4个，否则应加缓冲器（反相器）。第81页/共1

36、15页2023/2/13 2:0882图4.28 两种典型的NMOS超级缓冲器电路 第82页/共115页2023/2/13 2:0883 (2)不恰当的级联若连接方式如图4.29所示，则经N级级联之后：VO VDD-NVTn图4.29 一种错误的级联方式 第83页/共115页2023/2/13 2:0884二、CMOS传输门 CMOS传输门电路结构和符号表示如图4.30，时钟脉冲控制信号C的范围定为0 VDD。图4.30 CMOS传输门电路与表示 第84页/共115页2023/2/13 2:08851、CMOS传输门的工作过程(1)传输高电平 设V0初态为“0”，P管VGSp=-VDD，N管V

37、GSn=VDSn，传输门导通电阻ron=rn rp，比传送晶体管导通电阻小。图4.31 传输门传输高电平过程 第85页/共115页2023/2/13 2:0886I区：VDD-VTp Vi-VOVTn，处于饱和态。随着CL充电使VO端的电位升高，VGSn=VDSn，虽然在饱和态下，VDSn变化对导通电阻无影响，但VGSn也在变化，则此时：（4.58）P管：在Vi-VOVDD-VTp，即 VDSp=-(Vi-VO)-VDD+VTp 之前，处于饱和态，VGSp=-VDD不变，有：即：rp。第86页/共115页2023/2/13 2:0887III区：VTnVi-VOVTn，以 的关系继续增大。P管

38、：此时，其偏置情况：（4.59）进入线性区，其导通电阻：（4.60）(Vi-VO)，rp。此时，传输门导通电阻ron=rn rp。第87页/共115页2023/2/13 2:0888II区：Vi-VOVTn(2)传输低电平N管：VGSn=VDSn=Vi-VOVTn,处于截止状态，rn。P管：按 继续减小。图4.32 传输门传输低电平过程 第88页/共115页2023/2/13 2:0889由传输高、低电平过程的分析可见：欲使 要使ron线性度提高，则须保证n、p管匹配：VTn=VTp，gmn=gmp。与单个的传送晶体管相比，CMOS传输门除了导通电阻大为改善，传输速度提高之外，还有一个突出的优

39、点就是无高、低电平阈值损失。所谓阈值损失是指传输高电平时，是否能将Vi=VDD传到V VO O，或传输低电平时，最终能否使输出达到0V。第89页/共115页2023/2/13 2:08902 2、衬底偏置效应对传输门特性的影响 由上面的分析可以看出，在电平传输过程中，源跟随器的源极电位由于CL充放电随时变化，而衬底接固定电位，VBS 0，有衬偏效应；漏负载级的源与衬底虽未连在一起，但电位相同，VBS=0，无衬偏效应。传输高电平n管有衬偏效应传输低电平p管有衬偏效应若采用P阱工艺，nMOS衬底浓度比pMOS的高1 2数量级，衬偏效应更为明显。第90页/共115页2023/2/13 2:08913

40、 3、改进电路 九管CMOS传输门 一种改进的CMOS传输门电路如图4.33所示。TG2的n3管VBS=0，无衬偏。E=“1”，TG1、TG2工作，当Vi=“1”，TG1、TG2同时开始传输高电平，其各自的输出端V0，V0状态相同，而V0与TG1的n1管衬底相接，即VBn1=VSn3=VSn1，可等效视为n1的VBS1=0，因此，n1管无衬偏效应。图4.33 4.33 九管CMOSCMOS传输门 传输低电平呢？第91页/共115页2023/2/13 2:0892 4.4 三态输出缓冲器 图中给出了两种带三态输出的反相器。在S端加高电平可以使电路按正常反相器工作，在S端加低电平就可以把输出强制为

41、高阻态。多用于多个电路模块共享一条数据总线的情况。将传输门移到输入端即成为动态CMOS移位寄存器第92页/共115页2023/2/13 2:0893 4.5 静态CMOS逻辑门电路4.5.1 CMOS基本门电路 1.基本的CMOS与非门、或非门图4.34 CMOS与非门和或非门 l n管运算:串与并或l n串则p并第93页/共115页2023/2/13 2:0894注意：串联方式工作时，相当于沟道长度增长，为使p、n管匹配，需增大串联管的W/L比 输入端一般不超过4个。并联方式工作时，等效为沟道宽度增大。有衬底偏置效应存在。则：（设K为单个最小尺寸MOS管的K值）对于与非门（n 2）由4.39

42、式，转换电平V*向VDD移动 VNMHM。第94页/共115页2023/2/13 2:0895对于或非门 （n 2）转换电平V*向VSS移动 VNMLM。基本上CMOS门电路噪容仅能保证在20%VDD。2.带缓冲级的CMOS门电路 由基本线路构成的CMOS门电路存在噪容低，输出波形不对称的缺点，通常以加缓冲器来解决：输入端加反相器；输出端加反相器；输入、输出端均加反相器；加缓冲器要遵循保持原门电路逻辑功能不变的原则。第95页/共115页2023/2/13 2:0896缓冲级给门电路带来的性能上的改善：门电路驱动能力取决于反相器特性，与各输入端所处逻辑状态无关。转移特性得到改善，转换区域变窄，噪

43、容提高。输出电平由“0”“1”，和“1”“0”跳变时间近似相等，波形趋于对称。但另一方面，加入缓冲级，使 Vi VO传送过程中经过了3、4级延迟，使延迟时间，因此多用于高噪声干扰低速系统。第96页/共115页2023/2/13 2:0897 4.6 复杂的CMOS逻辑门电路AOI(And-Or-Invert)逻辑第97页/共115页2023/2/13 2:0898 4.7 动态和准静态CMOS电路4.7.1 动态CMOS电路 由传输门和门电路构成，传输门与单沟道传送晶体管相比具有传输速度高(ron)，逻辑电平无阈值电压损失的优点动态CMOS电路优于单沟道NMOS动态电路。1.动态CMOS移位寄

44、存器 图4.35 1/2位延时电路 第98页/共115页2023/2/13 2:0899（1）栅电容的存储效应一般Cgs pF，Rgs 1010，而Cgs存储的电荷泄放只能通过Rgs实现，则放电时间常数RgsCgs 几ms可将电荷存储一段时间，使信号得以维持。Vi=“1”CP(1)上升沿 VCL“0”“1”；Vi=“0”VCL保持“1”，直至下一个脉冲上升沿到来VCL由“1”“0”。（2）若将两个1/2延时电路串联，并用 2做后级脉冲，则 1 称为读入脉冲，2读出脉冲。构成图4.36所示的动态CMOS移位寄存器。第99页/共115页2023/2/13 2:08100注意：1，2为不交叠脉冲；存

45、在时钟最高频率和最低频率。通常脉冲选择：单相脉冲：1=CP，2=双相脉冲：1，2相位不同。其信号的移位传输如图4.37所示。图4.36 动态CMOS移位寄存器 第100页/共115页2023/2/13 2:08101图4.37 动态移位寄存器输出波形 其中第一级为主触发器，第二级为从触发器，输入信号延迟一个节拍输出。（3）上示电路也可称之为动态CMOS D 触发器，即：第101页/共115页2023/2/13 2:081022、准静态CMOS移位寄存器 利用了静态触发器交叉耦合直流存储+栅电容电荷暂存两种效应。如图4.38所示。图4.38 准静态移位寄存器 第102页/共115页2023/2/

46、13 2:08103 4.8 CMOS变型电路4.8.1 伪nMOS逻辑n个输入端的与非门、或非门CMOS电路需2n个MOS管，而相应的nMOS电路只需(n+1)个MOS管。因此，模仿nMOS电路的这一特点，对CMOS电路加以改进，将pMOS负载管栅接地VSS，即可得到类似于耗尽型nMOS的特性。应注意此电路属有比电路。与实际的nMOS电路逻辑相比：伪nMOS逻辑由于采用pMOS负载，其沟道薄层电阻（RS=/t=Nq/t）或方块电阻约为nMOS的23倍，导通电阻，功耗（与 nMOS相比），另一方面，由于pMOS的导通电阻，延迟时间。第103页/共115页2023/2/13 2:08104图4.

47、39 伪nMOS逻辑 第104页/共115页2023/2/13 2:081054.8.2 钟控CMOS逻辑（C2MOS）图4.40所示为C2MOS动态移位寄存器，或称为同步CMOS逻辑。由于每级只需驱动相同的移位寄存器，所有晶体管可采用最小尺寸。C2MOS工作原理：CP=“1”，如Vi=“1”，输出节点放电，Vo“0”；若 Vi=“0”，输 出 节 点 充 电，Vo“1”。CP=“0”，输出节点保持原态。图4.40 C2MOS动态移位寄存器?第105页/共115页2023/2/13 2:081064.8.3 预充电鉴别逻辑（P-E逻辑）图4.41为P-E形式三输入与非门可见，该电路既保持了与n

48、MOS逻辑相同的管数，又有CMOS电路低功耗的特点。P-E逻辑工作原理：预充电过程：=“0”，鉴别管Tn截止，上拉管Tp导通，将输出预充电至VDD。鉴别过程：=“1”，Tn导通，Tp截止预充电停止，根据输入端的状态，输出相应的逻辑电平。图4.41 预充电鉴别逻辑 第106页/共115页2023/2/13 2:08107P-E逻辑的优缺点：优点：不需互补结构（每个输入端勿需P、N管搭配）。无比电路，所有逻辑门可采用最小尺寸。不存在下拉直流电流，逻辑部分可串联较多晶体管，输入 端扩展方便。作用在逻辑信号的负载较低，速度快。缺点：逻辑输出易受所谓“电荷共享”现象影响，如逻辑部分内部放电节点与输出节点

49、相连，输出节点电荷将被已放电的内部节点共享，输出电压。第107页/共115页2023/2/13 2:08108 输出信号有动态特性，存在最小时钟比，最大时钟比受电路特性制约。鉴别过程中，输入必须稳定，否则错误值将使输出节点误放电。如预充电期间需输出信号，这段时间的输出须先保存下来。需加时钟信号。解决方法：限制时钟频率，仔细选择接到P-E逻辑的电路类型。基于同一个时钟信号的多级P-E逻辑不能进行级联，因为每一级逻辑的输出在预充电过程已升到逻辑电平，此时，一旦时钟信号达到高电平，此高电平输出将驱动下级电路输出放电，不能进行正常的逻辑运算。第108页/共115页2023/2/13 2:081094.

50、8.4 多米诺（Domino）CMOS逻辑图4.43 多米诺CMOS逻辑 第109页/共115页2023/2/13 2:081101.多米诺逻辑是P-E逻辑的一种变型 多米诺逻辑是由一组动态CMOS单元和一个静态缓冲反相器构成，是一种准静态电路，具有动态和静态逻辑两者的优点，克服了动态CMOS逻辑对负载电容敏感的缺点。=“0”，为预充电阶段，f 点保持高电平，f=“0”。=“1”，求值阶段，根据输入A、B、C状态，f 有条件放电，再通过反相器输出正确的逻辑电平。逻辑部分可采用最小尺寸，反相器尺寸按需要设计，与P-E逻辑相比，多米诺逻辑的突出优点是：静态缓冲器（反相器）可使输出高电平达到VDD。