大规模集成电路 第4章 数字集成电路设计基础1

Uo
CL
UGP
UGN UGP
2
UGN＝ 5 V
1
UGP＝ 0 V
U TH N ＝ | U T H P|＝ 0 . 9 V
0
1
2
3
4
5
Ui
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过
程 ① Ui较小， 有 UGN-Ui>UTHN
|UGP-Ui|<UTHP
N管导通 P管截止
3. CMOS传输门的设计
为保证导电沟道与衬底的隔离(PN结反偏)， N管
的衬底必须接地， P管的衬底必须接电源(UDD)。 沟道电流ID与管子的宽长比(W/L)成正比， 为使
传输速度快， 要求ID大些， 沟道长度L取决于硅栅多
晶硅条的宽度， 视工艺而定。 一般L取工艺最小宽度 (2λ）， 那么， 要使ID大， 就要将沟道宽度W设计得
Uo
2. CMOS传输门的直流传输特性 5
CMOS传输门的直流传输特性
如图所示
4 N管 通
双管 导通
P管 通
UGN
3
Ui
UDD
Uo
CL
UGP
UGN UGP
2
UGN＝ 5 V
1
UGP＝ 0 V
U TH N ＝ | U T H P|＝ 0 . 9 V
0
1
2
3
4
5
Ui
不存在阈值损失问题：
(1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。
如图所示
4 N管 通
双管 导通
P管 通
UGN
3
Ui
UDD
Uo
CL
UGP
UGN UGP
2
UGN＝ 5 V
1
UGP＝ 0 V
U TH N ＝ | U T H P|＝ 0 . 9 V
0
1
2
3
4
5
Ui
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过
程 ③ Ui再升高， 接近“1”时， 有
2. PMOS单管开关
PMOS单管开关电路如图所示， 其衬底接UDD。 (1) 当UG=“１”(接UDD， 高电平)时， PMOS管截止， 开关断开， Uo=0。 (2) 当UG=“0”(接地， 低电平)时， PMOS管导通， 视 Ui的大小不同， 也分两种情况：
① Ui=“1”(UDD)时， 输入端沟道开启导通， 电流给CL充电， Uo上 升， 输出端沟道也开启， 开关整个接通， 有Uo=Ui=“1”
1. CMOS传输门电路
CMOS传输门电路如图所示
NMOS管和PMOS管的源极、 漏极接在一起， NMOS
衬底接地， PMOS衬底接UDD(保证了沟道与衬底之间
有反偏的PN结隔离)， 二者的栅极控制电压反相， 即
UGP= U GN 。
UGN
Ui
UDD
Uo
CL
UGN UGP
UGP
传输门电路及栅极控制电压波形
0
1
2
3
4
5
Ui
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过
程 ② Ui升高， 有 UGN-Ui>UTHN
|UGP-Ui|>UTHP
N管导通 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。
Uo
2. CMOS传输门的直流传输特性 5
CMOS传输门的直流传输特性
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的 过程分为以下三个阶段(设“1”为UDD=5U， “0”为接地，
UTHN=|UTHP|=0.9 U):
Uo
2. CMOS传输门的直流传输特性 5
CMOS传输门的直流传输特性
如图所示
4 N管 通
双管 导通
P管 通
UGN
3
Ui
UDD
UG
UDD
UDD
Ui UDD 0
NMOS Uo
(UDD－UT H)
P MOS
0
Uo
|UT HP|
UDD
(UDD－UT H) UDD
0
阈值损失波形示意图
4.1.2 CMOS传输门
根据NMOS和PMOS单管开关的特性， 将其组合 在一起形成一个互补的CMOS传输门， 这是一个没有 阈值损失的理想开关。
N管导通区
此时， N管接近理想开关， N管沟道电流向CL充电，使Uo=Ui。
Uo
2. CMOS传输门的直流传输特性 5
CMOS传输门的直流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ输特性
如图所示
4 N管 通
双管 导通
P管 通
UGN
3
Ui
UDD
Uo
CL
UGP
UGN UGP
2
UGN＝ 5 V
1
UGP＝ 0 V
U TH N ＝ | U T H P|＝ 0 . 9 V
0
0
0 (非理想0)
0
实际比零U高 TH|P|
1
1 (理想1)
(a)
(b)
PMOS单管开关(a) 电路； (b) 等效开关
MOS开关电压传输范围
NMOS开关电压传输范围：
UTN
G UGS＝’1’
S
D
PMOS开关电压传输范围：
|UTP |
S
G |UGS|=‘0’ D
结论：NMOS管是传输低电平(‘0’)的理想开关，传输高电平(‘1’)有阈值电压损失； PMOS管是传输高电平(‘1’)的理想开关，传输低电平(‘0’)有阈值电压损失。
② Ui=“0”(低电平)时， 输入端沟道被夹断， 此时要维持沟道导通，
则输出端沟道开启， 输出电压Uo必须比UG高一个PMOS管的阈值电
压|UTHP|。 因此， 当传输输入为0的信号时， 输出同样存在所谓的
“阈值损失”， 如图(b)所示， 即
Uo=|UTHP|
UG
Ui
Uo
UDD
UG＝“1”
Ui
Uo＝0
Ui<UGN-UTHN N管导通，Ui>UGP+|UTHP| P管导通 Ui通过双管对CL充电至：Uo=Ui
Ui> UGN-UTHN Uo=1 N管截止，Ui> UGP+|UTHP| P 管导通 Ui通过P管对CL充电至：Uo=Ui
通过上述分析，CMOS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CMOS传输门的直流输出特 性近似为线性。
UGN-Ui<UTHN |UGP-Ui|>UTHP
N管截至 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； UGP=0，UGN=1时：双管有下列三种工作状态：
Ui<UGN-UTHN N管导通， Ui< UGP+|UTHP| Uo=0时 P管截止 Ui通过N管对CL充电至：Uo=Ui
UG＝“1”
UG
Ui
Uo＝0
Ui
Uo
0
UDD 1
0
0 (非理想0)
0
实际比零U高 TH|P|
1 (理想1)
(a)
(b)
PMOS单管开关(a) 电路； (b) 等效开关
(2) 当UG=“0”(接地， 低电平)时， PMOS管导通， 视 Ui的大小不同， 也分两种情况：
① Ui=“1”(UDD)时， 输入端沟道开启导通， 电流给CL充电， Uo上 升， 输出端沟道也开启， 开关整个接通， 有Uo=Ui=“1”
大一些。
合作愉快