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1、会计学1数字数字(shz)集成电路基本单元与图集成电路基本单元与图第一页，共22页。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(min j)的大小）；（3）功耗（消耗的电源功率）；（4）噪声容限等。第1页/共22页第二页，共22页。2007-2008-1 CMOS基本门电路及版图(bnt)实现 n nCMOSCMOS反相器反相器n n （1 1）CMOS CMOS反相器的具体电路如图所示，这是一种典型的反相器的具体电路如图所示，这是一种典型的CMOSCMOS电电路结构，它由一个路结构，它由一个NMOSNMOS晶体管和
2、晶体管和PMOSPMOS晶体管配对构成晶体管配对构成(guchng)(guchng)，两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入。两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入。NMOSNMOS晶体管的晶体管的衬底与它的源极相连并接地，衬底与它的源极相连并接地，PMOSPMOS晶体管的衬底与它的源极相连并晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。接电源。n n 第2页/共22页第三页，共22页。2007-2008-1 CMOS基本(jbn)门电路及版图实现（2 2）CMOS CMOS物理结构的剖视图如图所示。其中物理结构的剖视图如图所示。其中n n沟道晶体管是在沟道晶体管是在p p阱区中制作的；而阱
3、区中制作的；而P P沟道晶体管是在沟道晶体管是在n n型衬底上制作的。两个晶型衬底上制作的。两个晶体管的栅极联在一起体管的栅极联在一起(yq(yq)形成输入端。形成输入端。第3页/共22页第四页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现n n开关特性开关特性n n 我们希望反相器的上升时间和下降时间我们希望反相器的上升时间和下降时间近似近似(jn s)(jn s)相等，则需要使相等，则需要使PMOSPMOS管的沟道管的沟道宽度必须加宽到宽度必须加宽到NMOSNMOS管沟道宽度的管沟道宽度的 n/n/p p倍左右。倍左右。n n 第4页/共22页第五页，共22页。2
4、007-2008-1CMOS基本门电路及版图(bnt)实现n n功耗功耗 n n 无论无论CMOSCMOS门处于这两种逻辑形态门处于这两种逻辑形态(xngti)(xngti)中的哪一种状态，两个中的哪一种状态，两个MOSMOS管中始终有一个管子是截止的。由于没有从管中始终有一个管子是截止的。由于没有从VDDVDD到到VSSVSS的直流通路，也的直流通路，也没有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和静态功耗没有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和静态功耗PDPD都是都是0 0。第5页/共22页第六页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现n nCMOS反相器的设
5、计 n nCMOS反相器的版图(bnt)实现第6页/共22页第七页，共22页。2007-2008-1CMOS基本门电路及版图(bnt)实现第7页/共22页第八页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现（a）垂直(chuzh)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(chuzh)走向MOS管结构。第8页/共22页第九页，共22页。2007-2008-1CMOS基本门电路及版图(bnt)实现n n与非门和或非门电路与非门和或非门电路 n
6、 n （1 1）工作原理）工作原理 n n 二输入与非门和二输入或非门电路如图所示，两个二输入与非门和二输入或非门电路如图所示，两个PMOSPMOS管并联与两个串联的管并联与两个串联的NMOSNMOS管管相连构成了二输入与非门，两个相连构成了二输入与非门，两个NMOSNMOS管并联与两个串联的管并联与两个串联的PMOSPMOS相连构成了二输入或非相连构成了二输入或非门。门。n n （2 2）与非门和或非门电路的设计与非门和或非门电路的设计n n （3 3）版图）版图(bnt)(bnt)实现实现 第9页/共22页第十页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现 CM
7、OS CMOS传输门和开关逻辑传输门和开关逻辑 （1 1）工作原理）工作原理 在图中的在图中的CMOSCMOS传输门采用了传输门采用了P P管和管和NN管对，控制信号和管对，控制信号和C C分别控制分别控制P P管和管和NN管，使两管同时关管，使两管同时关断和开通。由于断和开通。由于PMOSPMOS管对输入信号管对输入信号S S高电平的传输性能高电平的传输性能(xngnng)(xngnng)好，而好，而NMOSNMOS管对输入信管对输入信号号S S低电平的传输性能低电平的传输性能(xngnng)(xngnng)好，从而使信号好，从而使信号S S可以获得全幅度的传送而没有电平损失。可以获得全幅度
8、的传送而没有电平损失。第10页/共22页第十一页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现（2）利用传输门，很容易(rngy)构成一些开关逻辑。1）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页第十二页，共22页。2007-2008-1CMOS基本(jbn)门电路及版图实现n n驱动电路的结构驱动电路的结构 n n 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载超过了它的能力，就将导致速
9、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小以及脉冲边沿的要求决定驱动级器件(qjin)(qjin)尺寸，如果驱动级尺寸很尺寸，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，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。以达到最佳匹配。第12页/共22页第十三页，共22页。2007-2008-1 三态门三态门 在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此需要在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此需要(xyo)(xyo)设计三态门电路，以避免总线使用的矛盾。三态门电设计三态门电路，以避免总线
10、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。当使能信号路可以用如图所示的常规逻辑门构成。当使能信号E E为高电为高电平时，或非门和与非门都打开，数据传至驱动管反相输出；平时，或非门和与非门都打开，数据传至驱动管反相输出；当当E E为低电平时，与非门输出为高电平关闭了为低电平时，与非门输出为高电平关闭了P P管，或非门管，或非门输出低电平关闭了输出低电平关闭了NN管，输出处于高阻态。管，输出处于高阻态。P25 P25 第13页/共22页第十四页，共22页。2007-2008-1数字电路标准单元库设计(shj)简介 n n基本原理 第14页/共22页第十五页，共22页。2007-2008
11、-1数字电路标准单元库设计(shj)简介n n库单元设计库单元设计 n n 标准单元库中的单元电路是多样化的，通常包含上百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：种单元电路，每种单元的描述内容都包括：n n（1 1）逻辑功能；）逻辑功能；n n（2 2）电路结构与电学参数；）电路结构与电学参数；n n（3 3）版图与对外连接）版图与对外连接(linji)(linji)端口的位置；端口的位置；n n 对于标准单元设计对于标准单元设计EDAEDA系统而言，标准单元库应包含系统而言，标准单元库应包含以下三个方面的内容：以下三个方面的内容：n n（1 1）逻
12、辑单元符号库与功能单元库；）逻辑单元符号库与功能单元库；n n（2 2）拓扑单元库；）拓扑单元库；n n（3 3）版图单元库。）版图单元库。第15页/共22页第十六页，共22页。2007-2008-1焊盘输入输出单元(dnyun)（I/OPAD）n n输入单元 n n 输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外部(wib)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页第十七页，共22页。2007-2008-1焊盘输入输出单元(dnyun)（I/OPAD）n n输出单元输出单元 n n 输出单元的主要任务是提供一定输出单元的
13、主要任务是提供一定(ydng)(ydng)的的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方驱动能力，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面，输出单元还承担了一定(ydng)(ydng)的逻辑功能，的逻辑功能，单元具有一定单元具有一定(ydng)(ydng)的可操作性。与输入电路的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。相比，输出单元的电路形式比较多。n n反相输出反相输出I/OI/OPAD PAD n n 顾名思义，反相输出就是内部信号经反相顾名思义，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，另后输出。这个反相器除了完成反相的功能外，另一个
14、主要作用是提供一定一个主要作用是提供一定(ydng)(ydng)的驱动能力。的驱动能力。第17页/共22页第十八页，共22页。2007-2008-1焊盘输入输出单元(dnyun)（I/OPAD）n n2 2）同相输出）同相输出I/OI/OPAD PAD n n 同相输出实际上就是同相输出实际上就是“反相反相反相反相”，为什么不直，为什么不直接从内部接从内部(nib)(nib)电路直接输出呢？主要是驱动能力电路直接输出呢？主要是驱动能力问题。利用链式结构可以大大地减小内部问题。利用链式结构可以大大地减小内部(nib)(nib)负负荷。即内部荷。即内部(nib)(nib)电路驱动一个较小尺寸的反相
15、器，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，在同样的内部这个反相器再驱动大的反相器，在同样的内部(nib)(nib)电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。P77 P77 第18页/共22页第十九页，共22页。2007-2008-1焊盘输入输出单元(dnyun)（I/OPAD）3 3）三态输出）三态输出(shch)I/O(shch)I/OPAD PAD 所谓三态输出所谓三态输出(shch)(shch)是指单元除了可以输出是指单元除了可以输出(shch)“0”(shch)“0”，“1”“1”逻辑外，还可高阻输出逻辑外，还可高阻输出(shch)
16、(shch)，即单元具有三种输出即单元具有三种输出(shch)(shch)状态。同样，三态输出状态。同样，三态输出(shch)(shch)的正常逻辑信号也可分为反相输出的正常逻辑信号也可分为反相输出(shch)(shch)和同和同相输出相输出(shch)(shch)。下图是一个同相三态输出。下图是一个同相三态输出(shch)(shch)的电的电路单元的结构图。路单元的结构图。第19页/共22页第二十页，共22页。2007-2008-14 4）漏极开路输出单元）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如果希望系统支持多个集成电路的正常逻辑(lu j)(lu j)输输出同时到总线以
17、实现某种操作，就必须对集成电路的输出单元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，以支持进行特殊的设计，以支持“线逻辑线逻辑(lu j)”(lu j)”，同时，总线也，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（图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中（a a）图的内部控）图的内部控制信号是通过反相器反相控制制信号是通过反相器反相控制NMOSNMOS管工作的方式，（管工作的方式，（b b）图是同）图是同相控制的方式。相控制的方式。P80P80第20页
18、/共22页第二十一页，共22页。2007-2008-1n n输入、输出双向三态单元输入、输出双向三态单元(dnyun)(dnyun)（I/OI/OPADPAD）n n 在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输出的在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输出的功能，或者还要求单元功能，或者还要求单元(dnyun)(dnyun)具有高阻状态。在总线结构的电具有高阻状态。在总线结构的电子系统中使用的集成电路常常要求这种子系统中使用的集成电路常常要求这种I/OI/OPADPAD。下图是一个输入、。下图是一个输入、输出双向三态的输出双向三态的I/OI/OPADPAD单元单元(dnyun)(dnyun)电路。电路。P83P83n n 第21页/共22页第二十二页，共22页。