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1、2007-2008-1 数字集成电路的基本电路的主要性能指标是：（1）工作速度（延迟时间的长短）；（2）集成度（占用面积的大小）；（3）功耗（消耗的电源功率）；（4）噪声容限等。第1页/共22页2007-2008-1 CMOS基本门电路及版图实现 CMOS反相器 （1）CMOS反相器的具体电路如图所示，这是一种典型的CMOS电路结构，它由一个NMOS晶体管和PMOS晶体管配对构成，两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入。NMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接地，PMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。第2页/共22页2007-2008-1 CMOS基本门电路及版图实现（2）CMOS物
2、理结构的剖视图如图所示。其中n沟道晶体管是在p阱区中制作的；而P沟道晶体管是在n型衬底上制作的。两个晶体管的栅极联在一起形成输入端。第3页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现开关特性 我们希望反相器的上升时间和下降时间近似相等，则需要使PMOS管的沟道宽度必须加宽到NMOS管沟道宽度的 n/p倍左右。第4页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现功耗 无论CMOS门处于这两种逻辑形态中的哪一种状态，两个MOS管中始终有一个管子是截止的。由于没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和静态功耗PD都是0。第5页/共22页
3、2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现CMOS反相器的设计 CMOS反相器的版图实现第6页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现第7页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现（a）垂直走向MOS管结构；（b）水平走向MOS管结构；（c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构；（d）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构；（e）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构。第8页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现与非门和或非门电路 （1）工作原理 二输入与非门和二输入或非门电路如图所示，两个PMOS管并联与两个串联的
4、NMOS管相连构成了二输入与非门，两个NMOS管并联与两个串联的PMOS相连构成了二输入或非门。（2）与非门和或非门电路的设计 （3）版图实现 第9页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现 CMOS传输门和开关逻辑（1）工作原理 在图中的CMOS传输门采用了P管和N管对，控制信号和C分别控制P管和N管，使两管同时关断和开通。由于PMOS管对输入信号S高电平的传输性能好，而NMOS管对输入信号S低电平的传输性能好，从而使信号S可以获得全幅度的传送而没有电平损失。第10页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现（2）利用传输门，很容易构成一些开关逻辑。1）
5、与或门 2）异或 门 3）异或 非门 4）线或 逻辑（3）版图实现 第11页/共22页2007-2008-1CMOS基本门电路及版图实现驱动电路的结构 众所周知，任何一个逻辑门都有一定的驱动能力，当它所要驱动的负载超过了它的能力，就将导致速度性能的严重退化。设计者可根据负载大小以及脉冲边沿的要求决定驱动级器件尺寸，如果驱动级尺寸很大且和前级功能电路的驱动能力不相匹配，应该在两者之间加一些缓冲级，以达到最佳匹配。第12页/共22页2007-2008-1 三态门 在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此需要设计三态门电路，以避免总线使用的矛盾。三态门电路可以用如图所示的常规逻辑门构成。当使能信
6、号E为高电平时，或非门和与非门都打开，数据传至驱动管反相输出；当E为低电平时，与非门输出为高电平关闭了P管，或非门输出低电平关闭了N管，输出处于高阻态。P25 第13页/共22页2007-2008-1数字电路标准单元库设计简介 基本原理 第14页/共22页2007-2008-1数字电路标准单元库设计简介库单元设计 标准单元库中的单元电路是多样化的，通常包含上百种单元电路，每种单元的描述内容都包括：（1）逻辑功能；（2）电路结构与电学参数；（3）版图与对外连接端口的位置；对于标准单元设计EDA系统而言，标准单元库应包含以下三个方面的内容：（1）逻辑单元符号库与功能单元库；（2）拓扑单元库；（3）
7、版图单元库。第15页/共22页2007-2008-1焊盘输入输出单元（I/OPAD）输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结构主要是输入保护电路。P73 第16页/共22页2007-2008-1焊盘输入输出单元（I/OPAD）输出单元 输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。反相输出I/OPAD 1)顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。这个反相器除了完成反相的功能外，另一
8、个主要作用是提供一定的驱动能力。第17页/共22页2007-2008-1焊盘输入输出单元（I/OPAD）2）同相输出I/OPAD 同相输出实际上就是“反相反相”，为什么不直接从内部电路直接输出呢？主要是驱动能力问题。利用链式结构可以大大地减小内部负荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动大的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。P77 第18页/共22页2007-2008-1焊盘输入输出单元（I/OPAD）3）三态输出I/OPAD 所谓三态输出是指单元除了可以输出“0”，“1”逻辑外，还可高阻输出，即单元具有三种输出状态。同样，三态输出的正常逻辑信号也可分为
9、反相输出和同相输出。下图是一个同相三态输出的电路单元的结构图。第19页/共22页2007-2008-14）漏极开路输出单元 如果希望系统支持多个集成电路的正常逻辑输出同时到总线以实现某种操作，就必须对集成电路的输出单元进行特殊的设计，以支持“线逻辑”，同时，总线也将做适当的改变。漏极开路输出单元结构就是其中的一种。下图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中（a）图的内部控制信号是通过反相器反相控制NMOS管工作的方式，（b）图是同相控制的方式。P80第20页/共22页2007-2008-1输入、输出双向三态单元（I/OPAD）在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的电子系统中使用的集成电路常常要求这种I/OPAD。下图是一个输入、输出双向三态的I/OPAD单元电路。P83 第21页/共22页2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University感谢您的观看！第22页/共22页