集成电路原理第四章

第 四 章 MOS逻 辑 集 成 电 路 4.1 MOS器 件 的 基 本 电 学 特 性 4.1.1 MOSFET的 结 构 与 工 作 原 理 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管 MOSFET NMOSPMOS 增 强 型 （ 常 关 闭 型 ）耗 尽 型 （ 常 开 启 型 ）增 强 型 （ 常 关 闭 型 ）耗 尽 型 （ 常 开 启 型 ） D漏 极 Drain G栅 极 GateS源 极 SourceB衬 底 Bulk 4.1.2 MOS器 件 的 阈 值 电 压 Vth )(0 SBSSoxiox SSBSMSth VCQC QQV )( 0 SBSSoxioxBSoxSSMS VCQCQCQ 0( ) 2 ( 2 2 )B iFB FB FB BS FB ox oxQ QV VC C 平 带 电 压 （ 4-1） FBSiB NqQ 22 00 C/cm2 衬 底 ）（ 衬 底NpmosnNqkT PnmosnNqkTnNqkT iDiAiFB ,ln ),(lnln SSSS NqQ （ C/cm2） NSS=10101011 cm-2 ox OSioxoxox TTC 20 F/cm2 VPolySin VPolySiP VVVVSi FFAgAuCuAl F 56.0 56.04.03.006.0 栅栅多 晶 硅 栅 接 触 电 势金 属 栅 接 触 电 势接 触 电 势非 本 征 MetalFBMS 衬 底 ），（ 衬 底nPMOSC Nq pNMOSC NqC Nq ox DSiox ASiox Si 000 2 ),(22 9.3 2 OSiSi=11.90=8.85410-14F/cm )(317.0105.1 103ln026.0ln 10150 VnNqTk iAFP )(877.056.0317.0 VSiPloyFPMS )/(1045.3101.0 9.310854.8 284140 2 cmFTC OXSiOOX )/(10511.2 317.02103106.19.1110854.82 22 28 1519140 cmC VqNQ BSFPASiB )/(106.1106.110 291910 cmCQSS )(439.0 )1045.3 10511.2(317.021045.3 106.1877.0 2 8 889V CQCQV OXBFPOXSSMSth )(914.0 1045.3 1039.1110854.8106.122 21 8 1514190VC Nq OX ASi 4.1.3 MOSFET的 简 单 大 信 号 模 型 参 数 22DSDSthGSOXDS vvVvL WCi （ 4-2） sVcm sVcmpn /230 /580 22 DSthGSOXDS vVvL WCi 12 2 （ 4-3） 212210 41421 thGSDSthGSDSsubSiDSeff VvvVvvNqvL mLmLpmos mLmLnmos 504.0;1002.0 502.0;1001.0 )(66.0 501.01439.03102 1005801045.3 12 28 2mA vVvL WCi DSthGSnOXDS )(625.0222439.031005801045.3 2 28 2 mAL vvVvL WCi DSDSthGSOXDS 4.1.4 MOSFET小 信 号 参 数 constvGSDSm DSvig DSthGSOX vVvL WC 1 DSOX DSDSOX iL WC viL WC 2 12 （ 4-4） DSOX constVGSDSm vL WC vig DS （ 4-5） constvDSDSds GSvig 22 thGSOX VvL WC DSDSDS ivi 1 （ 4-6） =0， 则 ？ constvDSDSds GSvig DSthGSOX vVvL WC （ 4-7） sdDSthGSOX m vVvLLWC g 1120 （ 4-8） DSsd vL 2 4.5 MOS器 件 分 类 与 比 较(1) MOS器 件 分 类 常 开 启 型耗 尽 型 常 关 闭 型增 强 型 PMOSNMOSModeDepletion PMOSNMOSModetEnhancemen )( )(MOSFET Vth= MS +2FB OXBCQ OXSSCQ OXiCQAl栅 ： E-NMOS 0 + + D-NMOS 0 + + E-PMOS 0 D-PMOS 0 N+硅 栅 ： E-NMOS 0 + + D-NMOS 0 + + E-PMOS 0 D-PMOS 0 异 型 注 入同 型 注 入 异 型 注 入同 型 注 入+ 异 型 注 入同 型 注 入 异 型 注 入同 型 注 入 + P+硅 栅 ： E-NMOS 0 + + + D-NMOS 0 + + + E-PMOS 0 + D-PMOS 0 + 异 型 注 入同 型 注 入 异 型 注 入同 型 注 入+ OXiCQ 4.1.6 MOS器 件 与 双 极 型 晶 体 管 BJT的 比 较 BCii GSDSm vig 4.2.1 静 态 MOS反 相 器 分 类 4.2.2 NMOS反 相 器 (1) 电 阻 负 载 LDL RIV （ 4-9） LDDD RIVV 0 （ 4-10） LDDD R VVI 0 LDDDOLi DDOHDi RIVVV VVIV 1 00 作 有 源 负 载一 般 反 相 器 用 ）到 几 十入 多 晶 硅 电 阻 （ 几静 态 存 储 器 常 用 离 子 注扩 散 电 阻 ， 面 积MOSFET MMMOS (2) 饱 和 负 载 反 相 器 （ E/E） )( thGSGSDS vvvv 1） 静 态 特 性 ： 输 出 特 性 开 态 时 ， mLthLDD thLDDL thLOLDDLthLGSLLonDSL gVV VV VVVVvIi )(21 )(21 )(21)(21 2 22 （ 4-12） 而 ： mIonIononOLonO gIrIVVV 非)(即 ： )(2 thLDDmImLmIonOL VVgggIV （ 4-13） )()()( 1 0 thIGSIILthIGSIIdson VvvVvgr 非 饱 和非 饱 和 ）（ （ 4-14） )()1()( 0 thIGSIILthIGSIImI VvVVvg （ 4-15） mIon gr 1)( 非 饱 和 关 态 时 ， thLDDGSLDDDSLDDoffOH VVvVvVVV （ 4-16） mLmIOLOH ggVV 2 mImLOHOL ggVV 2 或 （ 4-17） 。 传 输 特 性 LILIR LW LW )( )( （ 4-18） )(2 )( thIiR thLDDOL thLDDOH VVVVV VVV （ 4-19） ? )(2)7.34.3()7.34.3( thIOHI Lff VVCt （ 4-20） )(9921818 thLDDLOHL LOHL Lrr VVL CVCVCt （ 4-21） L IL Ifrtt 1829 trtfIL 3） 速 度 功 耗 乘 积 OLO VVonDDC IVP （ 4-22） DDonC VIP 21 （ 4-23） rOLOHLOLOHLt tVVCfVVCP 22 )()( （ 4-24） frMax ttf 1 LL DD LWT V ）（等 效 电 阻负 载 管电 源 电 压 2 frpd ttt 2)(2141)( OLOHLrDDontCpdpd VVCtVIPPtPt （ 4-25） （ 3） 非 饱 和 负 载 反 相 器 （ 4） 自 举 负 载 反 相 器 OOsb b VVCC CV （ 4-26） 22 TDDG VVV （ 4-27） 23 TDDObs bTDD VVVCC CVV （ 4-28） 32 TTObs b VVVCC C （ 4-29） （ 5） E/D NMOS反 相 器 )(2 2 TEDDR TDOL VVVV （ 4-30） （ 6） 小 结 。 4.3 CMOS反 相 器 4.3.1 CMOS逻 辑 电 路 的 特 点 CMOS逻 辑 TTL逻 辑塑 料 封 装 -40+85 0+70陶 瓷 金 属 封 装 -55+125 -55+125实 际 -70+150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） 2)(21 thGSOXDS VVLWCI 负 温 度 系 数 。 4.3.2 CMOS反 相 器 特 性 分 析 （ 1） CMOS反 相 器 工 作 原 理 （ 2） CMOS反 相 器 直 流 特 性 DDODSp ODSn DDiGSp iGSn VVV VV VVV VV （ 4-31） 22 22)(2 )( )()()(2 )( OOTninn Tninn DDODDOTpDDipp TpDDipp VVVVKI VVKI VVVVVVVKI VVVKI 非饱非饱 （ 4-32） LWCK OX 2121 （ 4-33） 2122 )()( TnipnDDTpiTpiO VVKKVVVVVV （ 4-34） *1 )( VKK VVVKKV np TnTpDDnpi （ 4-35） 2122 )()( TpDDinpTniTniO VVVKKVVVVV （ 4-36） 2） 直 流 噪 声 容 限 * * VVVV VVVVV OLNMLM DDOHNMHM （ 4-37） 00* 1 )1( npv （ 4-38） DDTnn VV DDTpp VV npKK0 2 * DDVV 5.0* v或 NMLMNMHMpn NMLMNMHMpn NMLMNMHMpn NMLMNMHM NMLMNMHM NMLMNMHMnp VV VV VV VV VV VV 1 1110 000 （ 4-39） （ 3） 瞬 态 特 性假 设 ：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 。则 ， 反 相 器 的 开 关 延 迟 时 间 定 义 如 图 4-20示 。 图 4-20 开 关 时 间 的 定 义 VO由 0.9VDD通 过 导 通 的 输 入 管 放 电 逐 渐 下 降 到 0.1VDD所 需 的 时 间 。 p pppDDp Lr arcthVK Ct 1 )1 1.01()1( 1.0 2 （ 4-40） n nnnDDn Lf arcthVK Ct 1 )1 1.01()1( 1.0 2 （ 4-41） 2)(2 TpGSpDSp VVi （ 4-42） tiCV DSpLout （ 4-43） 2)(2 TpDDp DDLDSp DDLr VV VCi VCt （ 4-44） DDp LDDp Lr VK CVCt 5.13 （ 4-45） DDn LDDn Lf VK CVCt 5.13 （ 4-46） 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 4-21） 。 因 此 又 称 “ 对 延 迟 时 间 ” TD。 图 4-21 对 延 迟 时 间 的 定 义 示 意 202 )1(1)1( 19.0)(21 pnnDfDrD TTT （ 4-47） DDn Ln VK C 22 )1()1( ppnn KK （ 4-48） 2022 )1()1()1( ppnpn KK （ 4-49） 2222 )1()1( pDDpnDDn VKVK （ 4-50） 22 )()( TpDDpTnDDn VVKVVK （ 4-51） （ 4-52） 可 见 ， 要 使 相 等 ， 应 使 充 放 电 电 流 最 大 值 相 等 。 从 以 上 分 析 知 ， 由 于 传 输 延 迟 时 间 TD的 存 在 ， 信 号 在 多 级 级联 过 程 中 经 多 级 反 相 器 的 延 迟 ， 可 能 造 成 逻 辑 功 能 混 乱 。 因此 对 级 联 级 数 有 限 制 ： 2TTn D （ 4-53） DTTnN 2 （ 4） 功 耗 （ Power Dissipation） 特 性 反 向 漏 电温 度 反 向 漏 电寄 生 二 极 管集 成 度 性 能 差 ）连 线 表 面 漏 电 （ 绝 缘 层 启 等 ）衬 底 表 面 漏 电 （ 如 场 开 1） 静 态 功 耗 静 态 功 耗 =导 通 功 耗 +截 止 功 耗 理 想 情 况 ， CMOS反 相 器 静 态 功 耗 为 零 。 实 际 上 有 静 态 功耗 存 在 ： 2) 动 态 （ Dynamic） 功 耗 信 号 ）暂 态 附 加 功 耗 （ 非 阶 跃渡 区 由 峰 值 电 流 引 起 的电 路 开 关 转 换 时 进 入 过 ）的 瞬 态 功 耗 （ 阶 跃 信 号电 容 的 充 放 电 电 流 引 起负 载 电 容 和 芯 片 内 寄 生充 放 电 电 流 引 起 的 瞬 态 (Transient)功 耗 ： 2 0 000 00020 20 )()()(1 0 00DDL V DDDDVLdVCdti T TT DSppDSnnT VfC VVdVVdVVTC dtVidtViTP DDDDL （ 4-54） 可 见 ， CL、 f、 VDD PT， 与 器 件 参 量 无 关 。 当工 作 频 率 较 高 （ 几 MHz） 时 ， PT将 十 分 显 著 。 由 前 面 的 直 流 特 性 分 析 可 知 ， 阶 跃 信 号 输 入 条 件 下 不 存在 p、 n管 同 时 导 通 ， 动 态 功 耗 只 取 决 于 瞬 态 功 耗 PT。 图 4-22 输 入 为 非 阶 跃 信 号 时 的 交 变 动 态 功 耗 但 若 输 入 为 非 阶 跃 信 号 ， 如 图 4-22所 示 ， 在 开 关过 程 中 ， 有 一 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 )(21 1 0 0 00 0 0 frMAXDD ttDDT DDA ttIVf dtIdtITVdtVITP fr （ 4-55） 其 中 ， I为 暂 态 附 加 电 流 。CMOS反 相 器 总 功 耗 包 括 三 部 分 ： AT PPPP 静 态 （ 4-56） 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 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 。 4.3 CMOS传 输 门 4.3.1 NMOS传 送 晶 体 管 1、 工 作 原 理 如 图 4-23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 M 1称为 信 号 传 送 器 ， 此 结 构 多 用 于动 态 存 储 电 路 中 。 图 4-23 NMOS传 送 晶 体 管 其 工 作 过 程 如 下 ：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) 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 。 若 V a=“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 。 传 送 晶 体 管 导 通传 送 晶 体 管 截 止1 0GGVV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” ） 2、 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 。 (3) 不 需 直 流 电 源 （ 时 钟 信 号 +输 入 信 号 ） (4) 信 号 传 送 过 程 中 ， r on变 化 较 大 （ V-DS变 化 ） (5) 不 宜 直 接 驱 动 CMOS门 电 路 。 3、 传 送 晶 体 管 的 串 联图 4-24 多 个 传 送 晶 体 管 的 串 联 结 构 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 4-24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 图 4-25 传 送 管 传 输 延 迟 等 效 电 路设 ： RD、 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 ： （ 4-57）通 常 串 联 数 目 不 超 过 4个 ， 否 则 应 加 缓 冲 器 （ 反 相 器 ） 。 图 4-26 两 种 典 型 的 NMOS缓 冲 器 电 路 图 4-27 一 种 错 误 的 级 联 方 式 (2) 一 种 不 恰 当 的 级 联 方 式 若 连 接 方 式 如 图 4-27所 示 ， 则经 N级 级 联 之 后 ： TnDD VNVV 0 4.3.2 CMOS传 输 门 CMOS传 输 门 电 路 结构 和 符 号 表 示 如 图 4-28，时 钟 脉 冲 控 制 信 号 C的 范围 定 为 0VDD。 图 4-28 CMOS传 输 门 电 路 与 表 示 1、 CMOS传 输 门 的 工 作 过 程 (1) 传 输 高 电 平 （ 设 V0初 态 为 “ 0” ） P管 为 漏 负 载 级 （ VGSp=-VDD） N管 为 源 跟 随 器 （ VGSn=VDSn）传 输 门 导 通 电 阻 ron=rn rp， 比 传 送 晶 体 管 导 通 电 阻 小 。 图 4-29 传 输 门 传 输 高 电 平 过 程 下 面 对 传 输 高 电 平 时 各 工 作 区 情 况 展 开 分 析 。I区 ： Vi-V0=VDDVDD-VTpN管 ： VGSn=VDSnVTn， 处 于 饱 和 态 。 随 着 CL充 电 使 V0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 ： )( 111 TnGSnnmGSDSn VVgVir （ 4-58） P管 ： 在 Vi-V0VDD-VTp， 即 VDSp=-(Vi-V0) -VDD+VTp 之 前 ，处 于 饱 和 态 ， VGSp=-VDD不 变 ， 有 ： 0)(21 2 TpGSppdsp VVg 即 ： rp。 III区 ： VTnVi-V0VTn， 以 )( 1 TnGSnnn VVr 的 关 系 继 续 增 大 。 P管 ： 此 时 ， 其 偏 置 情 况 ： )( )()( 0 TpDDTpDDTpGSp TpGSpTpDDiDSp VVVVVV VVVVVVV （ 4-59） 进 入 线 性 区 ， 其 导 通 电 阻 ： )(1 )( 11 0VVVV VVVgr iTpDDp DSpTpGSppdspp （ 4-60） (Vi-V0)， rp。此 时 ， 传 输 门 导 通 电 阻 ron=rn rp。II区 ： Vi-V0VTnN管 ： VGSn=VDSn=Vi-V0VTn ,处 于 截 止 状 态 ， rn。 P管 ： 按 )(1 0VVVVr iTpDDpp 继 续 减 小 。 (2) 传 输 低 电 平 图 4-30 传 输 门 传 输 低 电 平 过 程 N管 为 漏 负 载 级 （ VGSn=VDD） ， P管 为 源 跟 随 器 VGSp=VDSp。其 分 析 过 程 与 传 输 高 电 平 时 类 似 。 由 （ 1） 、 （ 2） 分 析 可 见 ： 欲 使 DDTOXpnon VVT LWrrr 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 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 V0， 或 传 输 低 电 平 时 ， 最 终 能 否 使 输 出 达 到 0V。 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 ， VBS0， 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 。 管 有 衬 偏 效 应传 输 低 电 平 管 有 衬 偏 效 应传 输 高 电 平 pn 若 采 用 P阱 工 艺 ， NMOS衬 底 浓 度 与 PMOS的 高 12数 量级 ， 衬 偏 效 应 更 为 明 显 。 图 4-31 九 管 CMOS传 输 门 3、 改 进 电 路 九 管 CMOS传 输 门 一 种 改 进 的 CMOS传 输 门 电 路 如 图 4-31所 示 。 TG1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， n1管 无 衬 偏 效 应 。 DDnp VV 00* 1 )1( 转 换 电 平 V*向 VDD移 动 VNMHM。 设 K为 单 个 最 小 尺 寸 MOS管 的 K值对 于 与 非 门 120 nKKnKKNMOS KnKPMOS npnp 串 联并 联 （ n2） 转 换 电 平 V*为 1120 nKKKnKNMOS nKKPMOS npnp 并 联串 联 （ n2） 基 本 CMOS门 电 路 噪 容 仅 能 保 证 在 20%VDD。 图 4-35 1/2位 延 时 电 路 CL传 输 门 漏 寄 生 电 容 与 反 相 器 输 入 电 容 （ 栅 电 容 ） 之 和 。 CP 0)(0 1)(1 01 01 VQVD VQVD ni ni 2、 准 静 态 CMOS移 位 寄 存 器 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约 为 NMOS的 23倍 ， 导 通 电 阻 ， 功 耗 。 另 一 方 面 ， 由 于 PMOS的 导 通 电 阻 ， 延 迟 时 间 。 C2MOS工 作 原 理 ：CP=“1”， 如 Vi=“1”， 输 出 节点 放 电 ， V0“0”； 若 Vi=“0”， 输出 节 点 充 电 ， V0“1”。CP=“0”， 输 出 节 点 保 持 原 态 。 C2MOS电 路 存 在 的 问 题 ： 标 准 的 动 态 移 位 寄 存 器 C2MOS移 位 寄 存 器 4.7.3 预 充 电 鉴 别 逻 辑 （ P-E逻 辑 ） 4.7.4 多 米 诺 （ Domino） CMOS逻 辑 2. 多 米 诺 CMOS逻 辑 单 元 的 级 联 3. Domino逻 辑 与 伪 nmos、 C2MOS、 P-E逻 辑 的 比 较 ： )( min2 器如 微 处 理 器 、 信 号 处 理 功 耗 逻 辑 电 路逻 辑 多 用 于 高 密 度 、 低、 多 用 于 动 态 移 位 寄 存 器oDoEP MOSC