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1、大规模集成电路大规模集成电路第第4章章数字集数字集成电路设计基础成电路设计基础1(2)4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.1.1 单管MOS开关 1.NMOS单管开关单管开关 NMOS单单管管开开关关电电路路如如图图所所示示，CL为为负负载载电电容容，UG为为栅电压，栅电压，设设“1”表示表示UG=UDD，“0”表示表示UG=0(接地接地)。NMOS单管开关(a)电路；(b)等效开关；(c)传输特性 阈值损失波形示意图 4.1.2 CMOS传输门 根根据据NMOS和和PMOS单单管管开开关关的的特特性性，将将其其组组合合在在一一起起形形成成一一个个互互补补的的CMOS传传输输门门，这这是是
2、一一个个没没有有阈值损失的理想开关。阈值损失的理想开关。1.CMOS传输门电路传输门电路 CMOS传输门电路如图所示传输门电路如图所示 NMOS管管和和PMOS管管的的源源极极、漏漏极极接接在在一一起起，NMOS衬衬底底接接地地，PMOS衬衬底底接接UDD(保保证证了了沟沟道道与与衬衬底底之之间间有有反反偏偏的的PN结结隔隔离离)，二二者者的的栅栅极极控控制制电电压压反反相相，即即UGP=。传输门电路及栅极控制电压波形 2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 CMOS传传输输门门的的直直流流传传输输特特性性如图所示如图所示 不存在阈值损失问题：不存在阈值损失问题：(1)当当UGN
3、=“0”，UGP=“1”时，时，N管、管、P管均截止，管均截止，Uo=0。(2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的过的过程分为以下三个阶段程分为以下三个阶段(设设“1”为为UDD=5U，“0”为接地，为接地，UTHN=|UTHP|=0.9 U):2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 CMOS传传输输门门的的直直流流传传输输特特性性如图所示如图所示 (2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的过程的过程 Ui较小，较小，有有 UGN-UiUTHN N管导通|UGP-Ui|UTHN N管导通|UGP-U
4、i|UTHP P管导通 双管导通区 此时，N管、P管共同向CL充电，仍使Uo=Ui。2.CMOS传输门的直流传输特性传输门的直流传输特性 CMOS传传输输门门的的直直流流传传输输特特性性如图所示如图所示 (2)当当UGN=“1”,UGP=“0”时，时，Ui由由“0”升高到升高到“1”的过程的过程 Ui再升高，接近“1”时，有UGN-UiUTHP P管导通 P管导通区 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；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：时：双管有下列三种工作状态：nUiUG
5、N-UTHN N管导通，管导通，Ui UGP+|UTHP|Uo=0时时 P管截止管截止 Ui通过通过N管对管对CL充电至：充电至：Uo=UinUiUGP+|UTHP|P管导通管导通 Ui通过双管对通过双管对CL充电至：充电至：Uo=UinUi UGN-UTHN Uo=1 N管截止，管截止，Ui UGP+|UTHP|P管导通管导通 Ui通过通过P管对管对CL充电至：充电至：Uo=Ui 通过上述分析，通过上述分析，CMOS传输门是较理想的开关，它可将信传输门是较理想的开关，它可将信号无损地传输到输出端，并且号无损地传输到输出端，并且CMOS传输门的直流输出特传输门的直流输出特性近似为线性。性近似为线性。3.CMOS传输门的设计 为为保保证证导导电电沟沟道道与与衬衬底底的的隔隔离离(PN结结反反偏偏)，N管管的衬底必须接地，的衬底必须接地，P管的衬底必须接电源管的衬底必须接电源(UDD)。沟沟道道电电流流ID与与管管子子的的宽宽长长比比(W/L)成成正正比比，为为使使传传输输速速度度快快，要要求求ID大大些些，沟沟道道长长度度L取取决决于于硅硅栅栅多多晶晶硅硅条条的的宽宽度度，视视工工艺艺而而定定。一一般般L取取工工艺艺最最小小宽宽度度(2），那那么么，要要使使ID大大，就就要要将将沟沟道道宽宽度度W设设计计得得大一些大一些。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！17