最新大规模集成电路第4章数字集成电路设计基础1ppt课件.ppt

大规模集成电路大规模集成电路 第第4 4章章 数字集成数字集成电路设计基础电路设计基础1 1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=“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①① Ui较小，较小， 有有 UGN-Ui>UTHN N管导通 |UGP-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② Ui升高，升高， 有有 UGN-Ui>UTHN N管导通 |UGP-Ui|>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③ 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：nUiUGP+|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(2λ）），， 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。