数字集成电路的结构特点CMOS电路

保持时间：
在时钟触发沿之后信号不能变动的时间；
关于建立时间和保持时间
对于D触发器端口的时钟沿，只需要考虑建
立时间问题；
由于外部时钟信号需要通过长连线延迟才能
到达触发器端口，就会将内部建立时间分割
为建立时间和保持时间两段。
关于建立时间和保持时间
建立时间+保持时间=内部建立时间； 注意：建立时间可能为负值。
tclk tcqmax tcommax tset tskewmax 0
保持时间容限：
tcqmin tcommin thold tskewmax 0
数字集成电路的设计要求
电路的设计当然要以完成电路的功能为基本 要求，但是更重要的目标是实现电路的优化： 电路简化、集成度的提高、成本降低； 电路速度/频率的提高； 设计周期和成本的降低。
连线问题，设计过程相对简单。
面积优化的特点
逻辑单元的逻辑面积就等于该单元所使用的晶
体管数量。
每个输入端的输入电容都等于2；每个输出端
的输出电容等于该输出端直接连接的晶体管数
量乘以3。
面积优化的特点
逻辑单元的输出电阻取决于导通支路上串联晶
体管的数量。
对于N管，导通电阻为1； 对于P管，导通电阻为2。 根据逻辑的不同以及输出电平的不同，输出电 阻会有较大差异。
与非门和或非门
典型CMOS基本电路
与或非结构（AOI）
CMOS传输门（TG）电路
采用N晶体管和P晶体管并接构成，两管的栅极
接互补控制电平。
CMOS传输门（TG）电路
异或门 MUX2
基于CMOS传输门（TG）电路
异或门 MUX2
基于CMOS传输门（TG）电路
MUX2 的应用形式
CMOS组合逻辑单元的设计优化
NAND2 4/8 NAND3 6/15 NAND4 8/24
NAND6 12/48 62
138
46
NOR6 12/78 67
23
276
电路性能优化对扇入的限制
采用小规模单元电路可以提高电路 速度，节约电路资源
电路基本单元的结构
基本单元结构
INV，NAND2-4，NOR2-4，AOI（22）；
电路基本单元的结构
锁存器结构与特点
钟控D锁存器（latch）
C从1转为0可能导致输入信号被切割，使
电路进入亚稳态。
锁存器结构与特点
钟控D锁存器的传输结构
无论导通还是截断期间，只要不在建立时间内 变化，任何尖峰脉冲都不会导致亚稳态。 同样存在建立时间问题！
锁存器结构与特点
锁存器的时钟控制端容易受干扰，任何尖
峰脉冲都可能导致亚稳态；
增加反相器实现的同相基本单元 AND2-3，OR2-3；
电路基本单元的结构
采用并行分级实现的单元
对传输结构的分析
采用性能优化时，逻辑面积A=3； 从输入到输出的导通电阻为0.5； 输入/输出电容为18； 设其前后级均为NAND2，插入该传输缓冲对电 路延迟时间的增加为 t 18 1.5 22 0.5 38
tset:建立时间；外部时间触发之前，触发器输入数据需 要保持不变； thold:保持时间；外部时间触发之后，触发器输入数据 需要保持不变；
时序电路的常用时间关系
最小时钟周期关系：
tcqmax tcommax tset max tskewmax tclk
建立时间容限：
面积优化的特点
逻辑面积
INV： 2
上升时间
16
下降时间
8
NAND(n):
NOR(n):
2n
2n
6n+10
3n+5
n(3n+5)
2n(3n+5)
AOI(2,2):
AOI(3,3):
8
12
52
94
32
42
假定扇出系数均为1进行计算
面积优化的问题
逻辑单元的输出电阻可以有很大的变化， 导致输出端上升时间和下降时间的不一 致； 不同的逻辑单元也具有不同的输出电阻， 这使电路的时间性能设计显得非常复杂。
数字集成电路的结构特点 （CMOS电路）
MOS晶体管模型
组合逻辑基本结构
逻辑单元的优化设计 组合单元的规模约束问题 时序逻辑的时间关系问题
MOS晶体管模型
典型尺度参数为：
沟道宽度W、沟道长度L，逻辑面积A；
MOS晶体管电学模型
典型参数为： 导通电阻、栅极电容、漏极电容和源极电容
电学参数与尺度参数的关系
当n个晶体管串联时，宽度应该增加为n倍； 沟道宽度增加时，相关电容和逻辑面积成比 例增加。
一些典型逻辑器件的优化设计
一些典型逻辑器件的优化设计
延迟时间 INV： 12 NAND(n): 10n+2 NOR(n): 11n+1 AOI(2,2): 42 (相当于NAND4) AOI(3,3): 62 (相当于NAND6) 逻辑面积 3 n2+2n 2n2+n 24 48
在电路单元设计时，为了提高集成度，通常沟
道长度总是希望保持最小值，而沟道宽度却可
以进行加长；
R /W
C W
AW
Cd Cs 3Cg
CMOS基本电路结构
通常采用N网络与P网络互补连接构成：
N网络实现逻辑，并联为“与”，串联为“或”
典型CMOS基本电路
CMOS反相器
典型CMOS基本电路
在电路设计中，通常希望避免锁存器的出
现。不允许进行将组合电路的输出作为时
钟控制的设计。
触发器结构与特点
D触发器（flip-flop)
2个D锁存器串接形成主从结构，状态互补；
状态只在时钟边沿变化，只传递触发边沿之前的
输入；
只需考虑主锁存器的建立时间问题；
关于建立时间和保持时间
建立时间：
在时钟触发沿之前信号不能变动的时间；
面积优化与逻辑优化的对比
逻辑面 延 迟 上 升 下 降 积 INV 2/3 时间 时间 时间 12 22 32 42 16 22 42 68 8 22 28 34 NOR2 4/10 NOR3 6/21 NOR4 8/36 23 34 45 11 14 17 44 82 136 逻 辑 延 迟 上升 下 降 面积 时间 时间 时间
时序电路的常用时间关系
tclk 时钟周期；电路能够具有的最短时钟周期； tskew时钟偏斜；各触发器接收到触发信号时刻的偏离 程度；
时序电路的常用时间关系
tcq:触发器传输时间；从外部时钟触发时刻到触发器输 出状态完成改变所需要的时间； tcom:组合延迟时间；从组合逻辑输入变化到产生稳定 输出所需要的时间；
目标：
实现要求的逻辑功能；
减少电路的时间延迟；
降低电路功耗；
提高电路集成度。
最小晶体管
所有设计尺度都采用版图设计规则所能容许
的最小尺度进行设计。
参数表征基本单位：
设定对于NMOS的最小晶体管：沟道宽度W=1，
导通电阻R=1，栅极电容Cg=1，逻辑面积A=1；
单元电路的时间延迟
电路的时间延迟主要是由于随着状态的改变，
寄存器（触发器）的基本结构和特点
依靠反馈环形成的正反馈保持数据； 正反馈的建立需要时间：建立时间；
当输入到反馈环中的信号脉冲小于建立时间时， 反馈环会进入亚稳态或振荡状态。
锁存器结构与特点
S-R锁存器（latch）
状态的转换需要时间！
锁存器结构与特点
S-R锁存器（latch）
状态的转换需要时间！
反相三态门的实现方案
逻辑模块扇出与驱动能力
在逻辑功能单元内部设计时，可以忽略 连线延迟（电容）； 考虑模块之间的连接时，连线延迟成为
主要延迟因素；
通过减小输出电阻，增加驱动能力，可
以有效减少连线延迟，提高电路速度；
逻辑模块扇出与驱动能力
若某逻辑单元的输出连接线等效电容为200
电路的时序设计
考虑到电路效率，组合逻辑块的输入数量受到 限制，必须进行分级运算；
电路通过导通电阻为相关的电容充电和放电
导致的。
若导通电阻为R，连接到输出端上的总电容
为C，则延迟时间可以粗略表达为t=RC。
单元电路的优化
基本单元电路主要指INV，NAND，
NOR，AOI等；
设计优化主要有面积优化和性
能优化两种方案；
面积优化的设计
面积优化设计时，所有晶体管的面积均采用 最小晶体管形式。可以采用预先制备的标准晶 体管阵列形式进行设计，只考虑晶体管之间的
对于一个组合单元，通常要求一次输入导致的
输出变化稳定之后才能进行下一次输出；
协调各单元输出变化的时间成为电路设计中最
复杂的问题。
电路的时序设计
采用流水线设计方式，将组合分割为小的模块，
各模块之间的数据交换通过寄存器进行，可以
提高电路效率。
电路的时序设计
为了提高电路的性能，时序设计最重要的是处 理好各组合模块的分级问题，使所有模块的处 理时间趋于一致； 同时在设计中需要处理好与寄存器有关的时间 关系。
性能优化的设计
性能优化的要点是保持所有逻辑单元的输出
电阻为最小（都等于1），上升时间和下降时
间能够保持一致，在此情况下，延迟时间单纯
取决于逻辑单元的电容。 这一方案可以简化电路性能的设计，同时提 高电路的速度。
性能优化的规则
沟道长度设置为最小尺度，通过调整沟道宽
度使电阻一致。
P管的宽度大于N管（=2）；
锁存器结构与特点
S-R锁存器（latch）
当输入信号的持续时间过短时，寄存器无法建 立稳定状态，将会进入振荡状态（亚稳态）！ 输入信号必须脉冲宽度必须大于最小脉冲宽度。
锁存器源自文库构与特点
钟控D锁存器（latch）
通过时钟控制信号控制输入端，当C=0时， 信号不能输入；C=1时，输入总是具有确 定的电平，可以摆脱亚稳态。