专用集成电路设计基础教程(来新泉 西电版)第4章 数字集成电路设计技术
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这时，输出电压UY=uo=UDD-UTH，这称为阈值电压损失。 它起因于为保持器件的导通状态，栅—源电压必须具有的最 小电压值UGSN=UTN，如图4-2(b)所示，根据基尔霍夫电压定律， 这要从电压UDD中减去。鉴于输出电压UY小于理想的逻辑1值 UDD，称NFET只能导通一个“弱”逻辑1。同理，鉴于它能毫 无问题地产生一个输出电压UY=0 V，称它可传送一个“强” 逻辑0。总之，NFET可传送［0, UDD-UTH］范围内的电压，但 不能超过UDD。
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图4-4 CMOS传输门的结构及其常用的符号
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正是由于CMOS传输门是由一个PMOS管和一个NMOS管 相并联而成的，因此它可以成功地实现互补的传输关系，即当 传输高电平时，虽然NMOS开关管传输弱逻辑“1”，但PMOS 开关管却传输强逻辑“1”；而传输低电平时，虽然PMOS开关 管传输弱逻辑“0”，但NMOS开关管却能传输强逻辑“0”。由 于二者互补，故CMOS传输门可传输的电压范围为0~UDD，从 而消除了仅当采用一个MOS管作开关管时所存在的一个阈值 电压逻辑摆幅损失的问题。
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图4-3 PFET的传输特性
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通过以上分析，我们可以得到以下结论： NFET传送强逻辑0电平、弱逻辑1电平； PFET传送强逻辑1电平、弱逻辑0电平。 设计互补MOS(CMOS)电路就是为了解决传送电平的问题。 设计的基本规则为： 使用PFET传送逻辑1电压UDD； 使用NFET传送逻辑0电压USS=0 V。 以上这些使我们能够构建一个可传送理想逻辑电压0 V和 UDD到输出端的电路。
t uo(t)UD[D1e
] TG
(4-1)
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式中, τTG=RTGCo为时间常数。同样，传输逻辑“0”时应对应于 输出电容Co上的电荷通过RTG放电，因此放电电压的变化可表
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图4-1 NFET和PFET的符号
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NFET的工作特性如图4-2所示。栅极上的外加电压UDD 保证了NFET导通，其作用如同一个闭合的开关。图4-2(a)中， 器件左端加上了一个逻辑电平0，电压UX=0 V，正如期望的 那样，输出电压UY=0 V。当增加输入电压时，该电压值也 会被传送到输出端。但是，如图4-2(b)所示，当加上一个理 想的逻辑1，即输入电压UX=UDD时，问题就发生了。
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CMOS传输门的最简单模型是由电阻器和开关组成的，如 图4-5所示。
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图4-5 CMOS传输门的最简单模型
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逻辑传输由信号 (C , C ) 控制，当C=1, C 0 时通路接 通，进行数据传输；而当C=0， C 1 时，通路阻断，数据传 输切断。图4-5(b)模型中的电阻RTG为传输门导通时的等效电阻。 当传输逻辑“1”时，便等效于通过此电阻对输出电容Co进行充
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下面我们对CMOS传输门作简要分析。如图4-4所示，当 C=1， C 0 时，传输门像一个闭合的双向开关，若ui=UDD， 则输出电容将通过传输门充电至UDD；反之，当输入ui =0 时， 输出电容将通过传输门放电至0电压状态。表4-1总结了单管开 关和CMOS传输门的电压传输特性。
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表4-1 单管开关和CMOS传输门的电压传输特性
信号送至输出端(即输出信号等于输入信号)；而当C=0， C 1 时，两管皆不导通(形成高阻态), 将逻辑流切断(即输
入的变化对输出没有影响)。为此可将传输门当作一个电压控 制或逻辑控制的开关。
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由图4-4可看出，CMOS传输门与CMOS反相器一样，都是 由一个PMOS管和一个NMOS管相并联组成的，但它们的连接 方式却完全不同。为了加深对CMOS传输门电特性的了解，可 先研究各个MOSFET 开关管的性能，然后再将其构成并联电 路。之所以将两MOSFET管称为开关管是因为流过它的电流是 双向的，具体的流向由具体情况来确定。CMOS反相器中 PMOS管的源极必须接UDD，漏极与NMOS管的漏极连在一起 接输出端，而NMOS管的源极必须接到地。也就是说，CMOS 反相器中两管的源、漏极是固定不变的。但对传输门则不然， 其漏、源极可以互换而不固定。
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4.1.2 CMOS传输门 在CMOS电路中, 传输门被作为一种基本的开关或逻辑单
元，由多个逻辑单元的组合来实现基本的开关电路并进而扩 展出更多的逻辑功能。图4-4示出CMOS传输门的结构及其常 用的符号。通过此单元的导通通路是由一互补的控制信号对
(C , C ) 来控制的。当C=1, C 0 时，两管同时导通，输入
第4章 数字集成电路设计技术
4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.2 CMOS反相器 4.3 CMOS组合逻辑 4.4 触发器 4.5 存储器
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互补MOS(CMOS)采用两种类型的MOSFET构建逻辑电路。 一种称为N沟道MOSFET(或简称为NFET), 它以带负电荷的电 子作为电流。NFET的电路符号如图4-1(a)所示。栅极是器件的 控制电极。加在栅极上的电压决定了在漏端和源端之间的电流。 另一种晶体管称为P沟道MOSFET(或简称PFET)，它以正电荷 为电流，其电路符号如图4-1(b)所示。像NFET一样，加在 PFET栅极上的电压决定了在源端和漏端之间的电流。
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图4-2 NFET的传输特性
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来自百度文库
PFET具有与NFET相反的传输特性。为了考察PFET特性， 将它的栅极接地。图4-3 为对应两种输入值时的电路。在图43(a)中，UX=UDD，相当于输入逻辑1的情况，此时输出电压 UY=UDD，这是理想的逻辑1电平, 因此，PFET能够传送“强” 逻辑1。但当UX=0 V时，如图4-3(b)所示, 可传送的电压只能下 降到最小值UY=|UTP|，这也是阈值损失的结果, 即为了保持PF ET导通，栅—源电压的最小值必须为USGP=|UTP|。由于栅电压 为0 V，因此栅—源电压要升高到|UTP|，从而影响了输出, 故 PFET只能传送一个“弱”逻辑0。总之，PFET传送的电压范围 为［|UTP|, UDD］，但不能低于|UTP|。
这时，输出电压UY=uo=UDD-UTH，这称为阈值电压损失。 它起因于为保持器件的导通状态，栅—源电压必须具有的最 小电压值UGSN=UTN，如图4-2(b)所示，根据基尔霍夫电压定律， 这要从电压UDD中减去。鉴于输出电压UY小于理想的逻辑1值 UDD，称NFET只能导通一个“弱”逻辑1。同理，鉴于它能毫 无问题地产生一个输出电压UY=0 V，称它可传送一个“强” 逻辑0。总之，NFET可传送［0, UDD-UTH］范围内的电压，但 不能超过UDD。
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图4-4 CMOS传输门的结构及其常用的符号
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正是由于CMOS传输门是由一个PMOS管和一个NMOS管 相并联而成的，因此它可以成功地实现互补的传输关系，即当 传输高电平时，虽然NMOS开关管传输弱逻辑“1”，但PMOS 开关管却传输强逻辑“1”；而传输低电平时，虽然PMOS开关 管传输弱逻辑“0”，但NMOS开关管却能传输强逻辑“0”。由 于二者互补，故CMOS传输门可传输的电压范围为0~UDD，从 而消除了仅当采用一个MOS管作开关管时所存在的一个阈值 电压逻辑摆幅损失的问题。
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图4-3 PFET的传输特性
10
通过以上分析，我们可以得到以下结论： NFET传送强逻辑0电平、弱逻辑1电平； PFET传送强逻辑1电平、弱逻辑0电平。 设计互补MOS(CMOS)电路就是为了解决传送电平的问题。 设计的基本规则为： 使用PFET传送逻辑1电压UDD； 使用NFET传送逻辑0电压USS=0 V。 以上这些使我们能够构建一个可传送理想逻辑电压0 V和 UDD到输出端的电路。
t uo(t)UD[D1e
] TG
(4-1)
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式中, τTG=RTGCo为时间常数。同样，传输逻辑“0”时应对应于 输出电容Co上的电荷通过RTG放电，因此放电电压的变化可表
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图4-1 NFET和PFET的符号
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NFET的工作特性如图4-2所示。栅极上的外加电压UDD 保证了NFET导通，其作用如同一个闭合的开关。图4-2(a)中， 器件左端加上了一个逻辑电平0，电压UX=0 V，正如期望的 那样，输出电压UY=0 V。当增加输入电压时，该电压值也 会被传送到输出端。但是，如图4-2(b)所示，当加上一个理 想的逻辑1，即输入电压UX=UDD时，问题就发生了。
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CMOS传输门的最简单模型是由电阻器和开关组成的，如 图4-5所示。
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图4-5 CMOS传输门的最简单模型
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逻辑传输由信号 (C , C ) 控制，当C=1, C 0 时通路接 通，进行数据传输；而当C=0， C 1 时，通路阻断，数据传 输切断。图4-5(b)模型中的电阻RTG为传输门导通时的等效电阻。 当传输逻辑“1”时，便等效于通过此电阻对输出电容Co进行充
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下面我们对CMOS传输门作简要分析。如图4-4所示，当 C=1， C 0 时，传输门像一个闭合的双向开关，若ui=UDD， 则输出电容将通过传输门充电至UDD；反之，当输入ui =0 时， 输出电容将通过传输门放电至0电压状态。表4-1总结了单管开 关和CMOS传输门的电压传输特性。
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表4-1 单管开关和CMOS传输门的电压传输特性
信号送至输出端(即输出信号等于输入信号)；而当C=0， C 1 时，两管皆不导通(形成高阻态), 将逻辑流切断(即输
入的变化对输出没有影响)。为此可将传输门当作一个电压控 制或逻辑控制的开关。
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由图4-4可看出，CMOS传输门与CMOS反相器一样，都是 由一个PMOS管和一个NMOS管相并联组成的，但它们的连接 方式却完全不同。为了加深对CMOS传输门电特性的了解，可 先研究各个MOSFET 开关管的性能，然后再将其构成并联电 路。之所以将两MOSFET管称为开关管是因为流过它的电流是 双向的，具体的流向由具体情况来确定。CMOS反相器中 PMOS管的源极必须接UDD，漏极与NMOS管的漏极连在一起 接输出端，而NMOS管的源极必须接到地。也就是说，CMOS 反相器中两管的源、漏极是固定不变的。但对传输门则不然， 其漏、源极可以互换而不固定。
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4.1.2 CMOS传输门 在CMOS电路中, 传输门被作为一种基本的开关或逻辑单
元，由多个逻辑单元的组合来实现基本的开关电路并进而扩 展出更多的逻辑功能。图4-4示出CMOS传输门的结构及其常 用的符号。通过此单元的导通通路是由一互补的控制信号对
(C , C ) 来控制的。当C=1, C 0 时，两管同时导通，输入
第4章 数字集成电路设计技术
4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.2 CMOS反相器 4.3 CMOS组合逻辑 4.4 触发器 4.5 存储器
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互补MOS(CMOS)采用两种类型的MOSFET构建逻辑电路。 一种称为N沟道MOSFET(或简称为NFET), 它以带负电荷的电 子作为电流。NFET的电路符号如图4-1(a)所示。栅极是器件的 控制电极。加在栅极上的电压决定了在漏端和源端之间的电流。 另一种晶体管称为P沟道MOSFET(或简称PFET)，它以正电荷 为电流，其电路符号如图4-1(b)所示。像NFET一样，加在 PFET栅极上的电压决定了在源端和漏端之间的电流。
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图4-2 NFET的传输特性
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来自百度文库
PFET具有与NFET相反的传输特性。为了考察PFET特性， 将它的栅极接地。图4-3 为对应两种输入值时的电路。在图43(a)中，UX=UDD，相当于输入逻辑1的情况，此时输出电压 UY=UDD，这是理想的逻辑1电平, 因此，PFET能够传送“强” 逻辑1。但当UX=0 V时，如图4-3(b)所示, 可传送的电压只能下 降到最小值UY=|UTP|，这也是阈值损失的结果, 即为了保持PF ET导通，栅—源电压的最小值必须为USGP=|UTP|。由于栅电压 为0 V，因此栅—源电压要升高到|UTP|，从而影响了输出, 故 PFET只能传送一个“弱”逻辑0。总之，PFET传送的电压范围 为［|UTP|, UDD］，但不能低于|UTP|。