半导体集成电路第6章单沟道MOS逻辑集成电路.ppt
第六章 单沟道MOS逻辑集成电路,内容提要1：各种单沟道MOS倒相器的结构分析、性能分析2：不同倒相器之间的比较3：单沟道MOS逻辑集成电路的构成,MOS逻辑集成电路是继双极型晶体管集成电路获得应用之后迅速发展的另一类型集成电路。由于采用电压控制型器件MOSFET，比之双极型集成电路，其突出优点是功耗低，占用芯片面积小，因此其集成度高，功耗小。这正好符合了集成电路的发展方向。可以广泛应用于航天，微处理机，空间技术，军事系统等领域。最早出现的MOS逻辑集成电路是P沟MOS电路。其突出的优点是制作容易成本低，但速度低，电源电压高。,对一个MOS门电路，其状态的改变取决于对栅电容的充放电。因此速度及扇出都受栅电容的影响。这也是早期MOS电路的发展较缓的原因之一。随着工艺技术的发展，出现了NMOS电路。由于电子表面迁移率较空穴表面迁移率高出两倍，因此在同样的几何尺寸下。NMOS管的导通能力大大增强，意味着其工作速度更快。另外，由于NMOS管阈值电平较低，其电源电压也相应降低。因此，目前NMOS电路得到解决了广泛的应用。,为进一步提高电路性能，所谓短沟道MOS电路正迅速发展。主要有两种：1高特性MOS（HMOS）2双扩散MOS（DMOS）在线路设计上，则出现了CMOS电路。它具有极低的功耗，较高的速度及较大的噪声容限，且其集成度也大为提高。,从表中可以看出，综合各方面的参数考虑，MOS电路，特别是CMOS电路是最符合现代电子技术发展的集成电路。,几种数字门电路的典型电特性,在本篇的内容之先，我们已学过双极型逻辑电路，而在电路形式上，MOS电路与双极电路有相似之处，我们可以参照双极电路来分析MOS电路。另外，MOSFET是多子元件，是压控元件，而双极管是少子元件，电流控制元件。因此，MOS电路不需考虑少子存贮效应，而主要考虑电容效应，而对压控电件，理论扇出为无穷，但实际上负载能力受电容负载的限制。此外，MOSFET还具有衬底偏置效应，在电路分析中，应注意其特点。,在接触到MOS电路之先，我们回顾一下MOS管的基本知识。MOSFET有四种类型：结构种类 工作方式 栅压 特点 P沟道 增强型 负 易制造工作、速度慢 耗尽型 难于制造N沟道 增强型 正 制造复杂、速度快 耗尽型 正负均可 可在零栅压下工作 在逻辑电路中，总是希望不另附加偏置电路，即在输入“0”状态时输入管（驱动管）截止，而输入“1”电平时，输入管导通，因而输入管毫无例外地采用增强型管。,6-1电阻负载MOS倒相器,一、基本电路二、电路原理 T1为增强型MOSFET Vi=“0”T截止 RMOSRL VO=“1”Vi=“1”T导通 RMOSRL VO=“0”实现了倒相器的功能。,三、特性分析 类似于双极型晶体管倒相器，我们也以其电压传输特性来描述MOS倒相器的静态特性。对负载RL：VO=VDDILRL 对MOS管：饱和区 非饱和区 空载条件下 IL=ID 联立求解，可得VO Vi 关系,采用图解法 因IDS=IL，将负载线VDD-VDS IL 画在TI 输出特性曲线中，得到一系列交点，每一点对应一组（VO、Vi），列于VO Vi 坐标中，得到VO Vi曲线。从中可以看出：Vomax=VDD；Vomin与RL 有关，为减小VOL 则RL尽可能大；过渡区特性与RL有关，RL越大，过渡区越窄。,四、特点：从电特性来看，电阻负载MOS倒相器要求RL 越大越好，特别是在集成电路中，由于尽量采用最小面积MOS管，使得其导通电阻RMOS相当大，这对集成化很不利，因而除了在大跨导MOS电路中，一般都不使用。,-E/E饱和负载MOS倒相器,所谓E/E MOS倒相器，即采用一个增强型MOS管代替负载电阻，这样驱动管、负载管均为增强型MOSFET，故称E/E MOS倒相器。按照负载管的工作状态，E/E MOS倒相器又分饱和负载与非饱和负载两类。,1、基本电路：2、电路原理：以一个饱和MOSFET代替大电阻RL饱和条件下：VDS VGS VT不考虑衬底效应时（VSB 0时，VT 0。衬底效应）VDSL=VGSL 满足 VDSLVGSLVT故为饱和负载,3、特性分析：a：电压传输特性 图解法：先找出负载线 VDSLIDSL 依据 IDSL=IDSI VO=VDSI=VDDVDSL 将负载线画出在TI的输出特性曲线中，得到一系列交点。于是每一个交点对应一组VO、Vi值，将其联立曲线，便得到电压传输特性曲线。,b：输出特性 按照 IDSI=IDSL=KL(VGSL-VTL)2 当Vi=0时：TI 截止 IDSI=IDSL=0 此时，TL 也截止 VDSL=VTL V0=VDD VTL 存在一个阈值损失,当Vi 上升至ViVTI 时，VO 开始下降 当VOViVT 时（VOVDSL VGSIVTI，满足饱和条件）IDSL=KL(VGSL-VTL)2=KL(VDD-VO-VTL)2=IDSI=KI(Vi-VT)2 可见VO Vi为线性关系，倒相器K因子比越大，曲线越陡，过渡区越小，抗干扰性能越强,当Vi 继续上升，使得TI 进入非饱和状态传输特性进入非线性区 以 VOH=VDD-VTL 归一化 当Vi 进一步增大时，输出VOL 此时VOVOH,换一种表达方式：比较VOH，VOL 由于VOL 由两管跨导之比决定，故称有比电路。,c直流噪声容限 与TTL电路类似 增大，VDD 可提高噪声容限。,d瞬态特性 设：忽略MOS管本身的瞬态过程；输入为阶跃方波；输出端全部电容等效为CL。1、下降时间：设：Vi=“0”“1”TL=“1”“0”此时电容通过TI 放电：VO 逐渐下降,设忽略TL 管电流 初始，TI饱和导通：VO Vi VT由于CL 放电，VO 下降至VO Vi VT 饱和区放电时间：非饱和区放电时间：总下降时间：,引入归一化下降时间常数：且 则：设计应用：VOH/VOL 1520欲降低下降时间，应提高输入管跨导，即K因子，亦即宽长比，还应减小逻辑摆幅，增加电压因子（VOH VT）。,上升时间：Vi“1”“0”此时：VI 截止，VL 饱和引入归一化时间常数：欲降低上升时间，应提高负载管跨导，即宽长比，增加电压因子（VDDVT），减小逻辑摆幅。,e速度功率乘积(电路优值)当倒相器导通时：PC=ION VDD 截止时：PC 0 一般取平均静态功耗：当瞬态使用时，应考虑附加功耗：Pt=CL（VOH VOL）2 f,降低静态功耗与提高速度是矛盾的，因此，不能单纯从速度或功耗衡量电路的性能优劣，一般以其乘积来衡量，称为电路优值。4E/E MOS 倒相器设计：先根据工艺及速度要求决定（W/L）L，再由 VOL 决定（W/L）I，再验证是否满足功耗及噪容要求。5特点：a有比电路，集成度不高；b高电平时，TL 临界导通，上升速度慢；c存在阈值损失。,-E/E非饱和负载MOS倒相器,1、基本电路：2、电路分析：a、满足：VGGVDD+VT 则：VOH=VDD 消除了阈值损失 由：VGGVDD+VT VDD VGGVT VDS VGSVT 始终处于非饱和区。,b、VO 不存在阈值损失 VOH=VDD 且与VGG 的高低有关，以偏置系数衡量 m=c、由于等效电阻RL 较小，电路速度较高，但功耗增大，对电路优值改进不大。3、特点：a、改善了上升速度，但功耗增大；b、避免了阈值损失，但多用了一个电源；c、仍为有比电路，集成度不高。,-自举负载MOS倒相器,饱和负载E/E MOS倒相器存在三大缺点：1、阈值损失导致高电平降低；2、有比电路导致集成度不高；3、输出高电平时，TL 临界导通上升沿拖得很长。由此，提出了饱和负载MOS倒相器。它克服了阈值损失，使上升时间减小，但它却增加了功耗，且要求更大的K因子比，特别是要求采用多电源系统，因而限制了它的使用。1971年，提出利用电容自举作用提高VGG，即所谓自举负载MOS倒相器，较好地解决了上述问题，从而在E/E MOS电路中得到了广泛应用。,一、基本电路 非饱和倒相器T1，T2的基础上加上自举电容Cb和预充电管T3组成。CS是寄生电容。二、电路原理 瞬态条件下：利用电容两端电压不能突变的特性，将输出端电位的瞬态变化反映到负载管T2 的栅极。T3 管对A点预充电，直到VA升高至T3 截止。VA=VDD-VT3,1、阈值损失问题 当Vi由“1”跳变至“0”时：T1截止，由于T3对A预充电压VA=VDD-VT，使T2导通，VO上升，设输出VO上升很快，则Cb两端电位不能突变，VO的上升被Cb耦合到A点，使A点电位升高。VGG2=VA=(VDD-VT3)+VO 称自举率。,只要设计使得 VGG2=(VDD-VT3)+VO VDD+VT2 就可以克服阈值损失。此时：VOH=VDD VDD VT3+VDD VDD+VT2于是克服阈值损失的条件：注意VT2，VT3 应考虑衬底偏置效应。,2、低电平问题 当Vi由“0”跳变到时“1”时，T1导通，VO 下降，此时，VO 下降也会反映到VA，显然，VA下降将导致T2导通较差，这对于低电平是有利的。注意稳态条件下：VA=VDD-VT3 T2 工作于饱和状态显然：VOH=VDD-VT2-VT3故自举负载倒相器适宜于动态运用,3、工作速度问题 当Vi由“1”跳变至“0”时，T1截止，T2导通，VO上升。VO的上升被Cb耦合到A点：VA=VDD-VT2+VO=VGG2 即随着VO的上升，负载管的栅极电位被抬高，因此导通能力增加，上升速度加快，故有利于提高电路的速度。,三特点 1消除了阈值损失；2提高了速度；3R要求不大，有利于提高集成度。四改进 增加电位提供管T4；稳态：VOH=VDD-VT4 或者增加一高阻值电阻R；稳态：VOH=VDD,-E/MOS倒相器,E/E MOS饱和负载电路存在三大缺点，于是提出了非饱和负载，自举电路进行改进。就自举电路来说，性能已得到很大改进，但电路却复杂了，特别是引入电容，增加了面积，因此不是最佳方案。仔细分析可看出，E/E MOS倒相器的缺点均与增强型负载管有关，如为提供充电电流，TL 的栅极与电源相连，因此造成了阈值损失。从结构上进一步改进，出现了E/D MOS倒相器，获得了成功。,一、基本电路 二、电路原理 采用耗尽元件作负载，在零栅压下，TD 可导通，于是没有阈值损失。上升过程中，如果TD饱和导通（VDS VGS-VT）则：IDSL=KD（VGS-VTD）2=KDVTD2 与VDS无关，具有恒流特性，因而具有不随时间而变的向负载电容充电的电流，速度得到了改进。,三静态分析1、输出特性：Vi=“0”时 TE截止 TD导通 VOH=VDD Vi=“1”时 TD饱和 TE非饱和 KE 2（VDD-VTE）VOL-VOL2=KDVTD2 VOL与VTD、VTE、KE/KD 有关，且更强烈依赖于VTD。可以通过调节 VTD 来控制VOL，故基本上可以看作无比电路,2、传输特性 采用图解法作出电压传输特性曲线VO Vi 先作出负载管伏安特性曲线 I（VDD-VO）隐含VO 再反映到驱动管输出特性曲线 I（Vi-VO）隐含Vi，VO 得到一系列（Vi，VO）的工作点，将工作点描在Vi，VO 坐标系，便得到VO Vi关系曲线。,分段讨论：AB段：Vi VTE，TE 截止，TD 非饱和导通 VOH=VDDBC段：TE 饱和，TD 非饱和 IDSE=IDSD 抛物线关系CD段：TD，TE 均饱和 VDSE，VDSD均与Vi 无关，故VO与Vi无 关，因此垂直下降DE段：TD 饱和，TE 非饱和，非线性下降,几点结论：1、传输特性与 关系不大，基本上是无比电路；2、VTD对传输特性影响很大，VTD越小，传输特性越好，但VTD 太小要影响速度，且受衬底效应影响，可能出现沟道消失，从而影响VOH。通常，IDSD太大，功耗大，影响电路优值，IDSD太小，速度慢，因此应适当选择。,3、直流噪声容限 严格地计算关门电平与开门电平：令可得到两个点Vi1，Vi2。称单位增益点。上单位增益点在BC段：关门电压：下单位增益点在DE段：开门电压:均与VTE，VTD，有关，且VNML与VNMH的设计存在矛盾。,实际上，我们希望VNML，VNMH 均大，因此存在一个最佳设计。注意转折电压与VTE，VTD，有关，而最佳抗干扰设计对应于 一般VTE取1V，考虑速度，功耗，低电平，以及衬底效应等，一般取 VTD=-2V，这样 可取12。,四瞬态特性 分析方法与E/E MOS倒相器完全一致。上升过程：Vi 由“1”跳变到“0”，TE截止，TD导通，VDD通过TD对CL充电。下降过程：Vi 由“0”跳变到“1”，TE、TD均导通，CL通过TE放电。下降时间：由于CL 瞬态电流很大，忽略IDSD，这样 ic=IDSE，与E/E MOS倒相器下降时间完全一致。,上升时间：Vi=“0”，TE截止，TD导通 VDSD=VDDVO 当VO VGSD-VTD 因而TD处于饱和区 当VO VDD+VTD 时 VDSD VGSD-VTD 因而TD处于非饱和区 故：,设VDD+VTD 0.9VDD，则：tr=tr1=0.8 CLVDD/ION CLVDD/ION 与VTD 有关，考虑衬底偏置效应：随VO 增加，VTD，VTD，ION 下降 当VO=0时：VTD=VTDO 当VO=VOH=VDD时：VTD=VTDO+VTD（VDD）在计算中，通常取其平均值 VTD=VTDO+VTD（VDD）,五电路优值,平均静态功耗：,与KD，VTD 有关，设计中，由于VTD 受多因素的限制（工艺，速度等），往往通过改变KD，而不是改变VTD来调节功耗，而KD的改变则是调节 的问题了。,瞬态功耗：设忽略下降时间，则倒相器工作于开关状态时最大工作频率为：总功耗：平均延迟时间：电路优值：,六特点1消除了阈值损失，VOH=VDD，可在低电源电压下工作；2采用耗尽型负载，负载电流恒定，速度快；3尽管仍为有比电路，但调节VTD可保证VOL 的要求，因而可提高集成度；4直流噪容大，抗干扰能力强；5功耗增大。,七E/D MOS倒相器设计 1确定VTE，VTD VTE 的选取主要考虑抗干扰能力 它可以比E/E电路取得高些，以提高低电平抗干扰能力；VTD 主要考虑衬底效应下功能具备功能，并在速度与功耗之间作出折衷。2确定KD 通常首先是满足速度指标，再考虑功耗,3确定KE（）对VOL，要求 大于某值；对VSW，要求 在某范围（VSW=VTE）。两者矛盾时，先照顾VOL。而对抗干扰能力作出一定的牺牲。,6-5 静态MOS电路,我们已经介绍了几种MOS倒相器，本节在此基础上再介绍一些基本的单元电路，这些单元电路是LSI中的常用单元。值得注意的是，本节中介绍的场为N沟MOS电路，因而采用正逻辑，对于P沟电路，一般采用负逻辑。根据摩根定理，正逻辑的“与”相当于负逻辑的“或”。因此，只要进行逻辑变换，这里的讨论同样适于P沟电路。,静态MOS电路有三个特点：1、可在直流电压下工作，当完成一个逻辑功能后，只要条件不变，其结果可长期稳定保存；2、电路形式与双极型电路类似；3、各种复杂电路可分解为基本倒相器电路。,静态MOS门电路的构成原则：1、输入管串连构成“与”逻辑，输入管并联构成“或”逻辑。2、共用负载。3、原则上，单管门逻辑仍然适用。按照这三条基本原则，静态MOS门电路可以方便的设计其逻辑关系,a与非门，与门 电路形式：逻辑关系：F=特点：输入管串联，VOL，因此要求TA，TB有更小的等效阻抗，即，应用更大的，因此串联数目一般在三个以下。与非门后加一级倒相器即为与门。,b或非门，或门电路形式：逻辑关系：特点：在最坏的情况下，也有一个输入管导通以得到低电平，因此，不要求增大，因而电路中采用较多。或非门后加一级倒相器即为或门,c、与或非门 电路形式：逻辑关系：特点：与“与非”门相同,d、异或门电路一：第一级:T1，T2输入管，T3负载管；第二级:T4输入管，T5负载管。逻辑：特点：结构简单.,电路二：第一级：T1，T2，T3 构成或非门；第二级：T4，T5，T6，T7 构成与或非门。逻辑关系：,e、驱动门 MOS管是压控元件，理论上其扇出为无穷大，实际运用中受到对负载电容充放电速度的限制，要保证一定的工作速度，则其扇出便受到限制。因此，MOS电路中也有驱动电路，通常采用推挽输出，以降低功耗，一般称驱动门。,电路：反相驱动 同相驱动 T1、T2构成倒相器，T3、T4 大跨导输出管特点：阈值损失；VOH=VDD 2VT，加提拉管VOH=VDD VT 速度慢；T3、T4 总有一个导通，另一个截止，静态功 耗几乎为零。,自举推挽电路：第一级：T1、T2、T6 Cb、Cs组成自举负载倒相器第二级：T3，T5组成推挽输出电路，T4提拉管 特点：速度高；功耗略大；稳态时，VOH=VDD 3VT，故加提拉管,三态输出电路：由两个“或非”门及推挽输出管构成。逻辑：TSC=“0”时，使能 F=A TSC=“1”时，禁止 F与A无关 输出为“1”，“0”，隔离三种状态，故称三态输出电路。应用于LSI及VLSI中。,
