1、1,第9章 MOS集成電路,2,內(nèi)容提要,9.1 MOS IC的主要特點 9.2 MOS 倒相器 9.3 飽和負(fù)載EEMOS倒相器 9.4 E/D MOS倒相器 9.5 CMOS IC 9.6 MOS工藝 9.7 版圖舉例,3,9-1 MOS IC的主要特點,一、 MOSFET的主要特點 1、MOSFET是電壓控制元件功耗小 2、MOSFET之間自然隔離工藝更簡單，面積可以做得更小 3、可以多層布線便于元件的緊湊排列和版圖的布局設(shè)計 4、單元面積小組成基本邏輯門電路和觸發(fā)器等所用的MOS管較少，因此，完成一定邏輯功能的電路所占的芯片面積小，特別適和大規(guī)模集成。,4,二、NMOS的特點,1、np

2、，速度快 2、VTn較低，VDD小，易于與雙極型電路匹配 3、工藝復(fù)雜，問世較PMOS晚 隨著工藝水平的不斷提高，NMOS電路得到了廣泛應(yīng)用。我們也只討論NMOS，所以除CMOS外，不再標(biāo)出符號中的襯底電極,5,三、分析方法的特點,1、多子器件：瞬態(tài)分析時主要考慮電容的充放電，無少子存貯效應(yīng) 2、壓控器件：主要是電容負(fù)載問題,6,9-2 MOS 倒相器,倒相器是MOSIC中最基本的單元電路，輸入管總是EMOS。因為EMOS在0輸入下保持截止，不需要額外的電壓偏置電路。前級輸出電平的范圍與后級要求的輸入電平范圍是一致的，故前后級可以直接連接，使電路簡化。,7,一、一般形式：,Vi,VDD,Vo,

3、負(fù)載元件,驅(qū)動元件 （輸入管）,(a) （b） （c）,Vi Vo,8,二、分類： 根據(jù)負(fù)載分類,電阻負(fù)載倒相器（E/R） 增強負(fù)載倒相器（E/E） 耗盡負(fù)載倒相器（E/D） 互補負(fù)載倒相器（CMOS）,9,按負(fù)載與輸入管之間的關(guān)系分類,有比反相器 無比反相器,VOH,VDD,VoL,REL,RON,輸入高電平時，TI導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻為RON，REL為負(fù)載的等效電阻 那么： 為了保證VOL足夠低，RON和REL必須保持一定的比例，這就是有比反相器,Vo,Vi,VoL,VOH,理想情況下VOL0 不需要兩個管子保持一定比例，這就是無比反相器,10,9-3 飽和負(fù)載EEMOS倒相器,一、工作原理,

4、Vo,Vi,VDD,G,S,S,G,D,TI,TL,D,VGSLVDSL VDSLVGSL-VT TL永遠(yuǎn)飽和 忽略襯底偏置效應(yīng)，認(rèn)為TL的源與襯底同電位，(實際上VB=0，VS=VO) 那么VTIVTLVT 在TL的輸出特性上連接VGSLVDSL各點，得TL的伏安特性曲線,50 40 30 20 10 0,2 4 6 8 10 12,由于TL的跨導(dǎo)小，所以線較密 負(fù)載線的方程為 IDSLKL（VDSLVTL）2 拋物線,VGSL13V,12 11 10 9 8 7 6,VTL3.5V,VDSL（V）,ID（uA）,TL的輸出特性,KL=L/2,11,500 400 300 200 100 4

5、0 0,2 4 6 8 10 12,Vi13V,9 8 7 6 5 4,ID（uA）,VO（V）,TI的跨導(dǎo)大，線稀 把負(fù)載線畫到TI的輸出特性曲線中 IDSLIDSIID VOVDDVDSL 方程為 IDKL（VDDVTVO）2,12 10 8 6 4 2 0,2 4 6 8 10 12,VO（V）,Vi（V）,TI的輸出特性 根據(jù)上圖的交點可得到電壓傳輸曲線: 特點：1、高電平最大值為VDD-VTL 2、TL等效電阻 低電平,12,二、特性分析,Vi,G,G,D,TI,D,Vo,VDD,S,S,13,Vi,G,G,D,TI,D,Vo,VDD,S,14,2、傳輸特性：討論的是輸出電壓與輸入電

6、壓的關(guān)系 前面由圖解法已經(jīng)得出電壓傳輸曲線，要分析傳輸特性，實質(zhì)是寫出這個曲線的曲線方程。由于飽和區(qū)和非飽和區(qū)的電流方程是不同的，所以必須進(jìn)行分區(qū)。由于TL總是飽和的。所以主要根據(jù)TI的飽和情況進(jìn)行分區(qū),怎樣判斷TI是否飽和： ViVTVo 非飽和 可見分區(qū)線是ViVTVo 因為只有Vi VT時，TI才導(dǎo)通，所以還有一根線是ViVT,12 10 8 6 4 2 0,2 4 6 8 10 12,ViVT,Vo（V）,Vi（V）,VDDVT,ViVTVO,TI、TL飽和,TI非飽和TL飽和,這樣，就把電壓傳輸曲線分成了三個區(qū) 區(qū)：ViVTVo ViVT TI 非飽和 區(qū)：ViVTVT TI 飽和

7、區(qū)：ViVT TI 截止,15,16,3、直流噪容：和TTL電路類似,Vo,Vi,VOH VOHmin VOLmax VOL,VNML,VNMH,0 VOL VIL VIH VOH,VIL：最大輸入低電平，關(guān)門電平 VIH： 小 高 開 低電平噪容：VNMLVILVOL 高電平噪容：VNMHVOHVIH 邏輯擺幅：VLVOHVOL 過渡區(qū)寬度：VWVIHVIL 計算方法：VIL用區(qū)方程 VIH用區(qū)方程,0.9VOH,0.1VOH,要提高噪聲容限，要求I/L1，且選用盡可能高的VDD.,17,例題：,18,19,三、非飽和和自舉MOS倒相器,1、非飽和E/EMOS倒相器：,飽和EE倒相器有兩個缺

8、點： 1、VOHVDDVT 2、充電時間曲線拖一尾巴，速度慢 TL非飽和： VDSLVDDVTL,VGG,VDD,TL,TI,Vi,Vo,優(yōu)點：1、VOHVDD，無損失 2、輸出高電平時TL的導(dǎo)通電阻小，充電電流大，速度，雖多用一個電源，但性能大有改善,20,2、自舉MOS倒相器： 克服非飽和用兩個電源的缺點 自舉原理： 比普通反相器增加了預(yù)充電管TB和自舉電容Cb,VDD,TL,TI,Vi,Vo,TB,D,S,G,Cb,CL,假定反相器的輸入為高電平VDD, 輸出為低電平VOL，此時TB導(dǎo)通，對CB充電，使自舉電容兩端的電壓為VGSL=VDD-VTB-VOL，所以負(fù)載管TL的柵極被預(yù)置了電平

9、VGLO=VDD-VTB. 此電壓表明，自舉電容CB已充滿了電荷，于是，TB不再對CB充電，若由于某種原因使VGL下降，則TB又對CB充電。,在輸入電平由高變?yōu)榈蜁r，輸出電平上升，但是CB兩端的電壓不可能突變，所以VGL將隨VOL的升高而升高，這就是自舉效應(yīng)。隨著VGL上升，TB截止，CB上的電荷量CB*VGSL保持不變，這表明在自舉過程中，TL處于固定的柵源偏置狀態(tài)。 在自舉過程開始時，VGL比VDL低一個VTE，TL處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)VOL上升達(dá)到甚至超過2VTB時，由于VGSL保持不變，故VGL上升達(dá)到VDD+VTEVDL，于是TL轉(zhuǎn)入非飽和導(dǎo)通態(tài)。,21,VDD,TL,TI,Vi,V

10、o,TB,D,S,G,Cb,CL,這使輸出高電平達(dá)到VDD，消除了飽和E/E反相門的高電平閾值電壓損失。由于TL對CL的充電電流不會隨Vo升高而下降，加快了輸出高電平的上升時間。,22,9-4 E/D MOS的倒相器,VDD,TD,Vi,D,S,G,TE,D,S,G,Vo,耗盡型：VGS0，一直導(dǎo)通 （有導(dǎo)電溝道） 增強型,23,VDD,TD,Vi,D,S,G,TE,D,S,G,Vo,當(dāng)E/D反相器輸入低電平時，輸出為高電平，可以用類似分析飽和負(fù)載E/E反相器的方法，求出VOH=VDD. 當(dāng)輸入高電平時，驅(qū)動管TE可等效為一個電阻RE, 在輸出電壓VOL很小時，可以推導(dǎo)出,這時，耗盡型負(fù)載管處

11、于飽和態(tài)，可以等效為一個恒流源，于是可以求出E/D反相器的輸出低電平為,24,傳輸特性,Vo,Vi,VDD A VOHmin VDD+VTD 低電平噪聲 VOLmax,VNML,VNMH,0 VOL VTE VIL VIH VDD,B,C, D,E,TD非飽和TE飽和 ,均飽和 ,TD飽和 TE非飽和 ,VO=VI-VTE,對于TD，分區(qū)線是VO=VDD+VTD 對于TE，分區(qū)線是VOVi VTE 還有ViVTE,判斷TE是否截止,噪容： VIL用BC段，VIH用DE段,25,靜態(tài)特性的特點： a、VOHVDD，無損失 b、直流特性強烈依賴于負(fù)載管的VTD ，通過調(diào)節(jié)VTD可使VOL c、噪容

12、大 d、負(fù)載管具有恒流特性，速度較快,26,9-5 CMOS IC,有比反相器的弱點： 1、直流功耗大：當(dāng)ViVOH時，TL和TI同時導(dǎo)通，功耗大 2、兩個元件相互依賴：要使VOL， R要足夠大，兩個元件不能獨立選取 3、輸出波形上升沿和下降沿很不對稱 CMOS基于兩個元件交替導(dǎo)通的想法，可解決以上三個弱點。（C是互補的意思）,27,9-5-1 CMOS倒相器,一、工作原理： CMOS倒相器由一對互補的MOSFET組成，P管和N管互補對稱。,VDD,Vi G D VO,VGSP,VDSP,VDSN,VGSN,Ip,IN,S S,兩個柵級作輸入端 兩個漏極 出 Vi“1” TN導(dǎo)通 Tp截止 V

13、o“0” Vi“0” Tp導(dǎo)通 TN截止 Vo“1” 總有一個管子截止，靜態(tài)功耗小,P管,N管,28,二、直流傳輸特性 電流方程：,29,畫出電壓傳輸曲線并分區(qū),分區(qū)線是Vi-VTN=VO, Vi-VTP=VO, Vi=VTN, Vi=VDD+VTP，分成5個區(qū), ,VDD VO 0,Tp非 TN截,Tp 飽,TN 飽 TN非 TP截,ViVTNVO,ViVTPVO,VTN V* VDDVTP VDD, ,Vi,靜態(tài)時I=0，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時有電流脈沖通過,區(qū)：VO VDD，TN管截止 區(qū)：TN飽和，TP非飽和 14 區(qū)：均飽和 13 區(qū)：TN非飽和，TP飽和 23 區(qū)：TP截止 VO 0,30,三

14、、噪容,VO,0 V* Vi,VNMLM VNMHM,Vi=VO,1、指定噪容:根據(jù)使用和電路工作要求預(yù)先給出臨界高低電平 2、最大噪容：VNMHM=VOHV VNMLM=VVOL 3、最佳噪容v =1/2,判斷傳輸特性好壞的標(biāo)準(zhǔn)： 1、邏輯擺幅大 2、狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)陡，垂直 3、噪容大,31,四、功耗特性,反相器的功耗由三部分組成： 靜態(tài)功耗Pc瞬態(tài)功耗P動交變功耗Pt,動態(tài)功耗：輸入為連續(xù)脈沖時,32,1、靜態(tài)功耗Pc： CMOS倒相器靜態(tài)時總有一個管子導(dǎo)通，另一個截止，故Pc極低，它由電路中所有Pn結(jié)漏電流和表面漏電流形成。主要與三個因素有關(guān)： 集成度 寄生二極管多 Pc 芯片面積 寄生二極管的結(jié)面積 I漏 Pc 溫度 I漏 Pc,33,2、瞬態(tài)功耗P動：,對于CMOS，其靜態(tài)功耗很小，所以要重點考慮動態(tài)功耗。,當(dāng)反相器輸入為理想階躍波時，對負(fù)載電容和寄生電容充放電所消耗的功耗稱為瞬態(tài)功耗,