第6章CMOS静态门电路(3)-功耗(半导体集成电路共14章)讲解

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一、MOS管的开关特性
1. MOS管的结构和工作原理
-
S
vGS
vDS +
G
+ iD
D
N+
N+
G
P型衬底(B)
第三节 CMOS门电路
D B
S
当vDS> 0,但 vGS= 0 时,D-S间2不021/3导/9 通, iD= 0 。 当vDS> 0, 且vGS> vGS(th) (MOS管的开启电压)
时,栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。 这个反型层构成了D-S间的导电沟道,有 iD流通。
2. 电压传输特性
AB段:
vO
VDD A B
T1的开 启电压
T1导通, T2截止, VO = VOH ≈ VDD。
CD段:
1
2 V D D VGH(th)N
VGH(th)P
T2导通, T1截止, VO = VOL ≈ 0。
CD
T2的开 O 启电压
1 2 V DD
VDD
vI
2021/3/9
CMOS反相器的电压传输特性 BC段:
27
放映结束 感谢各位的批评指导!
谢 谢!
让我们共同进步
2021/3/9
28
C
C
V DD
T2
vI / vO T 1
v O / v I v I / v O TG
C
C
2021/3/9
C1,C0 时,传输门导通。
C0,C1 时,传输门截止。
vO / vI
20
第三节 CMOS门电路
利用 CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种 复杂的逻辑电路, 如异或门、数据选择器、寄存器、计数器等。

第6章CMOS静态门电路(2)-延迟(半导体集成电路共14章)讲解

第6章CMOS静态门电路(2)-延迟(半导体集成电路共14章)讲解
CGSO CGC CGDO
n+ S
n+ D
P_SUB
非饱和区 (VGS>VTH, VDS< VGS-VTH)
非饱和区: 沟道形成,相当于D、S连通, CGD=CGS ≈(1/2) CoxWL CGB=0
2018/9/25
MOSFET栅极电容(cont.)
Gate
CGSO CGC CGDO
n+ S
n+ D
CMOS逻辑门传输延迟举例
FO=1
反向器
2输入与非门
2输入或非门
2018/9/25
各种CMOS门电路的传输延迟
N输入逻辑门
自身延迟时间:
LE倍
反向器
反向器为0, n输入逻辑门为n0
0.75CinvR0
后级负载延迟时间: 0.75CinvR0: FO=1时,反向器的延迟时间 f: Fan out LE: Logical Effort
半导体 集成电路
学校:西安理工大学 院系:自动化学院电子工程系 专业:电子、微电 时间:秋季学期
2018/9/25
CMOS静态组合门电 路的延迟(速度)
2018/9/25
延迟时间实测方法
2018/9/25
本节内容
延迟时间的估算方法 负载电容的估算 传输延迟时间估算举例 缓冲器最优化设计
CSB
B
CDB
Vin
Vout
2018/9/25
2018/9/25
MOSFET交叠电容
Gate
CGSO CGC CGDO
CGDO
n+ S
n+ D
P_SUB
CGSO和CGDO—交叠电容,由源漏横向扩散形成,值一定

CMOS门电路实用PPT课件

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( N沟道增强型 MOS 管为例)
VDD
RD
ID
D
uO
G
ui
S•
0
VGS(TH)
ID vGS 0
vGS>VGS(TH)
vGS<VGS(TH) vDS
➢ 当vI<VGS(TH)时:
MOS管工作在截止区,
vO=VOH≈VDD
➢ 当vI>VGS(TH)时:
在可变电阻区,沟道电阻很小,
vO=VOL≈0V
10
✓ vI = VDD-|VTP|~VDD段:仍假设TN导通,则vI传到vO后,有UGS(TN)<VTN→ TN 截止,与假设相矛盾。故此段TN截止。
第27页/共34页
vI 0 VTN
VDD-|VTP| VDD
C’=0 VDD
TP
G
S
D
TN通
TN止 TN
vI
vo
TP止
TP通
TP
TN D
S
RL
G
C=VDD
① CMOS传输门:控制信号传输的门
可实现双向传输
ui/uo
利用P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性构 成。
C和C'是一对互补的控制信号。
C' TP
VDD uo/ui
TN C
电路结构
TP : VTP < 0 TN : VTN > 0
︱UGS(TP)︱ >︱ VTP︱ UGS(TN) > VTN
VTN=︱VTP︱
定义: 开启电压( UT)—— 沟道刚开始形成时的栅源 电压UGS。(一般2 ~ 3V)
S VDS
-
VGS
-D -G iD

CMOS 门电路ppt课件

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2.5 CMOS 门电路
结束
放映
2.5.1 CMOS反相器
2.5.2 其它类型的CMOS门电路
2.6 CMOS门电路和TTL门电路的 使用知识及相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识 2.6.2 TTL门电路的使用知识
2.6.3 TTL门电路和CMOS门电路的相互连接
本章小结
1
.
复习
为什么要用OC门? OC门的工作条件?OC门有何应用? 三态门有哪三态?三态门有何应用?
6
.
2.CMOS反相器的工作原理 (1)基本电路结构
PMOS管 负载管
NMOS管 驱动管
图2-26 CMOS反相器
开启电压|UTP|=UTN,且小于VDD。
7
.
(2)工作原理
UIL=0V
导通
UOH≈VDD 截止
当uI= UIL=0V时, VTN截止, VTP导通,
uO =
UOH≈VDD
图2-26 CMOS反相器
一般要考虑两个问题: 一是要求电平匹配,即驱动门要为负载门提供符 合标准的输出高电平和低电平; 二是要求电流匹配,即驱动门要为负载门提供足 够大的驱动电流。
24
.
1. TTL门驱动CMOS门
(1)电平不匹配 TTL门作为驱动门,它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V;
CMOS门作为负载门,它的UIH≥3.5V,UIL≤1V。 可见,TTL门的UOH不符合要求。
电压,从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层,造成器件
的永久损坏。为避免静电损坏,应注意以下几点:
20
.
(1)所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表 等必须可靠接地。
(2)存储和运输CMOS电路,最好采用金属屏 蔽层做包装材料。

第14章版图设计基础(半导体集成电路共14章)讲解

第14章版图设计基础(半导体集成电路共14章)讲解
门级逻辑 网表
AHDL
SPECTURE
逻辑图
寄存器传输级 描述 寄存器传输级 模拟与验证
综合 逻辑模拟 与验证
DC modelsim
SPICE/ SPECTURE
电路图
电路模拟 与验证
版图生成
CADENCE的Virtuso
APOLLO(自动)
版图几何设计规则和 电学规则检查
同右
网表一致性检 查和后仿真
4.PAD单元
PAD单元部分包括: (1)绑定金属线所需的 可靠连接区域 (2)ESD保护结构 (4)与内部电路相连的 接口 (3)输入、输出缓冲器
(1)绑定金属线所需的可靠连接区域
(2)ESD保护结构 ESD:ElectroStatic Discharge
输入I/O栅保护电路
其余ESD保护电路见P397
Dog Bone
接触孔 :
CON.1 最大/最小接触孔尺寸 CON.2 接触孔最小间距 CON.3 CON.5 扩散区的接触孔与边沿的距 离 多晶硅栅上的接触孔到多晶 硅栅边界的距离 0.40x0.40
CON.5 CON.2 CON.3 CON.1 CON.6 CON.5 Legend Comp Poly 2 Contact
PAD 3.13 PAD.3.14
M3
Via2
M2
via1
M1
键合点(PAD)
PAD.1 PAD.2 PAD.3.1
宽度 间距 顶层金属四周覆盖键合点距离
70 30 2.5
说明:实际版图中的pad都是有保护电路的,且厂商会 提供经过若干次实验的电路。
二、版图设计步骤(人工)
版图检查与验证
总体版图
半导体 集成电路

静态CMOS逻辑电路.pptx

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CMOS反相器的负载电容
第20页/共26页
电路的最高工作频率
如果输入信号是占空比为1:1,T/2≥max ( tr, tf )
第21页/共26页
环形振荡器的频率
第22页/共26页
CMOS反相器设计
第23页/共26页
第24页/共26页
第25页/共26页
感谢您的观看!
第26页/共26页
直流转移特性
第9页/共26页
噪声容限的定义
是指当信号从一个逻辑门的输出传输到下一个门的输 入时,所允许的信号电平的变化范围,它表示了相邻两
级门间所能允许的噪声电平。 物理意义:噪声容限反映了逻辑门对噪声灵敏度的度量,而电 路的抗干扰能力随噪声容限的增加而增强。
包括:输入低电平噪声容限VNL和输入高电平噪声容限VNH:
第14页/共26页
分析上升时间的等效电路
第15页/共26页
推导CMOS反相器的上升时间
u=Vout/VDD, αp=-VTP/VDD, αn=-VTN/VDD
(u从u1上升到αp这段时间PMOS工作在饱和区)
(u从αp上升到u2这段时间 PMOS工作在线性区)
第16页/共26页
上升过程充电电流的变化
第17页/共26页
分析下降时间的等效电路
第18页/共26页
传输延迟时间
电路的工作速度决定于信号通过电路的传输延迟时间。
平均传输延迟时间
tPHL表示从输入信号上升边的50%到输出信号下降边的50%所经过的延迟 时间,也叫做输出从高向低转换的传输延迟时间。 tpLH表示从输入信号下降边的50%到输出信号上升边的50%所经过的延迟 时间,也叫做输出从低向高转换第的19传页/输共2延6页迟时间。

《CMOS集成电路》课件

《CMOS集成电路》课件
模拟转换芯片
解释模拟转换芯片的用途和原理,以及它们在音 频和视频设备中的应用。
双稳态器芯片
介绍双稳态器芯片的电路结构和功能,以及它们 在计算机和通信系统中的应用。
传感器芯片
探讨各种类型的传感器芯片,如压力传感器、加 速度传感器和温度传感器,以及它们的应用领域。
CMOS逻辑门电路的分类
1
MOSFET逻辑门电路
讲解超高速电路、生物传感器、 物联网、大数据和深度学习芯 片等最新应用领域。
3 功率、面积与成本的平衡
介绍集成电路设计中如何平衡功率、面积和成本的因素。
CMOS集成电路未来的发展趋势
更高的集成度
探讨降低功耗、提高性能和增 加功能方面集成度亟待改进的 原因和措施。
更绿色的设计理念
探讨智能节能技术和低功耗微 控制器的应用,以及如何保证 集成电路的长期可持续发展。
更广泛的应用领域
CMOS集成电路
介绍CMOS集成电路的基本概念和主要内容。
CMOS工艺的基本原理
晶体管的结构及工作原理
讲解晶体管的基本概念以及如何 控制电流和电压。
掺杂技术
探讨如何通过硅等半导体元素的 掺杂实现集成电路的制造。
电路板的制作
解释电路板和晶体管制作的关系, 介绍如何利用电路板制造电路。
CMOS逻辑门电路
睡眠模式技术
讲解低功耗芯片通过控制睡眠模 式来降低功耗的原理和方法。
功率管理技术
介绍低功耗设备的功率管理技术, 包括智能功率管理芯片和供电管 理器。
CMOS集成电路中的功耗与热效应问题
1 功耗的来源
讲解集成电路的功耗来源,包括开关电容、导通电阻和截止电流。
2 热效应的影响
探讨温度对集成电路性能的影响,以及如何通过降低功耗或者散热来解决热效应问题。

《半导体集成电路》考试题目及参考答案

《半导体集成电路》考试题目及参考答案

第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路?2.按照半导体集成电路的集成度来分,分为哪些类型,请同时写出它们对应的英文缩写?3.按照器件类型分,半导体集成电路分为哪几类?4.5.6.1.2.3.4.5.6.7.8.请画出CMOS反相器的版图,并标注各层掺杂类型和输入输出端子。

第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略?。

2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应?3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应?4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应,其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法?6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应?7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应?第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些?2.集成电路中常用的电容有哪些。

3.4.5.1.流2. 分析四管标准TTL与非门(稳态时)各管的工作状态?3. 在四管标准与非门中,那个管子会对瞬态特性影响最大,并分析原因以及带来那些困难。

4. 两管与非门有哪些缺点,四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善,并分析改善部分是如何工作的。

四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。

5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善,分析改进部分是如何工作的。

6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。

并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。

7. 四管与非门中,如果高电平过低,低电平过高,分析其原因,如与改善方法,请说出你的想法。

8.1. 2. 4. 5. 6.7.请画出晶体管的D DS I V 特性曲线,指出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程(忽略沟道长度调制效应和短沟道效应)。

8.给出E/R 反相器的电路结构,分析其工作原理及传输特性,并计算VTC 曲线上的临界电压值。

《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)

《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)

《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些?2.集成电路中常用的电容有哪些。

3. 为什么基区薄层电阻需要修正。

4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。

5. 运用基区扩散电阻,设计一个方块电阻200欧,阻值为1K的电阻,已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。

第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输入短路电流输入漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL与非门(稳态时)各管的工作状态?3. 在四管标准与非门中,那个管子会对瞬态特性影响最大,并分析原因以及带来那些困难。

4. 两管与非门有哪些缺点,四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善,并分析改善部分是如何工作的。

四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。

5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善,分析改进部分是如何工作的。

6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。

并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。

7. 四管与非门中,如果高电平过低,低电平过高,分析其原因,如与改善方法,请说出你的想法。

8. 为什么TTL与非门不能直接并联?9. OC门在结构上作了什么改进,它为什么不会出现TTL与非门并联的问题。

第5章MOS反相器1. 请给出NMOS晶体管的阈值电压公式,并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响(即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值)。

2. 什么是器件的亚阈值特性,对器件有什么影响?3. MOS晶体管的短沟道效应是指什么,其对晶体管有什么影响?4. 请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应,并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响。

5. 什么是沟道长度调制效应,对器件有什么影响?6. 为什么MOS晶体管会存在饱和区和非饱和区之分(不考虑沟道调制效应)?7.请画出晶体管的D DS特性曲线,指出饱和区和I V非饱和区的工作条件及各自的电流方程(忽略沟道长度调制效应和短沟道效应)。

学年论文-CMOS集成电路的功耗分析和低功耗设计技术

学年论文-CMOS集成电路的功耗分析和低功耗设计技术

论文题目:CMOS集成电路的功耗分析和低功耗设计技术摘要随着系统芯片的功能越来越复杂,集成度的不断提高,电路规模的不断扩大,芯片的功耗已成为日渐突出的问题。

尽管近几年集成电路的供电电压有所下降,但是功耗却增长了近两倍;同时芯片面积的不断减小,导致功率密度更大程度的增长。

这直接导致芯片散热双色机难度和封装成本越来越高,进而影响芯片的可靠性。

所以减小芯片功耗对于芯片设计的成败是至关重要的。

目前,CMOS集成电路设计已广泛应用在集成电路的低功耗设计中。

高性能、低功耗已成为集成电路设计追求的目标。

本文介绍了CMOS 集成电路设计中存在的功耗问题,并且对低功耗的设计和优化方法进行了讨论,同时提出了解决问题的对策。

关键词功耗分析;功耗估算;功耗优化;低功耗设计技术AbstractWith the function of the system chip is more and more complicated, the constant improvement of the level of integration, and expansion of the size of the circuit, the power consumption has become a chip out gradually. Although in recent years the integrated circuit voltage supply is down slightly, but the power consumption has increased nearly two times; At the same time chip in the area of the continuous decreases, and lead to power density a greater degree of growth. This led directly to the chip heat dissipation double color machine difficulty and packaging costs more and more high, further influence the reliability of the chip. So reduce the power consumption of the chip to the success or failure of the chip design is very important. At present, CMOS integrated circuit design has been widely used in the integrated circuit design of the low power consumption. High performance, low power consumption has become integrated circuit design the pursuit of the goal. This paper introduces the CMOS integrated circKey wordsPower analysis; Power estimation; Power optimization; Low power design technology目录摘要 (I)Abstract (II)第一章前言 (1)第二章功耗的分析与估算 (2)2.1 功耗的分析 (2)2.1.1 功耗影响因素的分析 (3)2.2 功耗估算 (3)2.2.1 功耗估算方法 (4)第三章低功耗设计方法 (6)3.1 降低CMOS电路功耗的主要途径 (6)3.1.1 降低跳变频率 (6)3.1.2 减少负载电容 (6)3.1.3 降低工作电压 (7)3.1.4 降低工作频率 (7)3.2 各层次功耗的优化方法 (8)3.2.1 系统级优化技术 (8)3.2.2 体级结构优化技术 (9)3.2.3 寄存器传输级(RTL)优化技术 (9)3.2.4 门级优化技术 (10)3.2.5 晶体管级优化技术 (10)结论 (11)参考文献 (12)致谢 ......................................................................................................... 错误!未定义书签。

电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业

电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业
1、基本的电流源、电流沉 (1)电流源 显然,要使电流源正常
工作,应使T管工作在饱和 区,即:
王向展
图6.3 基本的电流源结构与I-V特性示意
2019年11月26日12时42分
10
集成电路原理与设计
VDS VGS VT
Vout VSS VDD VGG VDD Vthp Vout VSS VGG Vthp Vout VGG Vthp VSS
1、简单的电压分压器
VREF

VDD

R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度:
VREF
S

VREF
VREF
VREF VDD
1
VDD
VDD VDD
(6.13)
在近似处理时,应注意此电流镜正常工作时,各管均处于
饱和区,gds远小于gm,gmro >>1。 电路实际工作时,要在输入端、输出端加一定电压才能工
作。在T3饱和的前提下,为使Vi时Ir一定,只有相应地使W3/L3、 W2/L2增大。一般V(min)>2Vth。另一方面,要保证T3饱和,对输 出端电压也有要求:
VDS
2 FB VSB
分析小信号模型等效电路,由(6.6)、(6.7)得:
Rout
Vout I out
r ro2 [( gm2 gmb2 ) ro2 ] r

gm2 ro2 r
可见,最终输出电阻增大为r的gm2ro2倍。
王向展
2019年11月26日12时42分
集成电路原理与设计
第六章 MOS模拟集成电路
§ 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件

半导体集成电路课程教学大纲

半导体集成电路课程教学大纲

《半导体集成电路》课程教学大纲(包括《集成电路制造基础》和《集成电路原理及设计》两门课程)集成电路制造基础课程教学大纲课程名称:集成电路制造基础英文名称:The Foundation of Intergrate Circuit Fabrication课程类别:专业必修课总学时:32 学分:2适应对象:电子科学与技术本科学生一、课程性质、目的与任务:本课程为高等学校电子科学与技术专业本科生必修的一门工程技术专业课。

半导体科学是一门近几十年迅猛发展起来的重要新兴学科,是计算机、雷达、通讯、电子技术、自动化技术等信息科学的基础,而半导体工艺主要讨论集成电路的制造、加工技术以及制造中涉及的原材料的制备,是现今超大规模集成电路得以实现的技术基础,与现代信息科学有着密切的联系。

本课程的目的和任务:通过半导体工艺的学习,使学生掌握半导体集成电路制造技术的基本理论、基本知识、基本方法和技能,对半导体器件和半导体集成电路制造工艺及原理有一个较为完整和系统的概念,了解集成电路制造相关领域的新技术、新设备、新工艺,使学生具有一定工艺分析和设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。

并为后续相关课程奠定必要的理论基础,为学生今后从事半导体集成电路的生产、制造和设计打下坚实基础。

二、教学基本要求:1、掌握硅的晶体结构特点,了解缺陷和非掺杂杂质的概念及对衬底材料的影响;了解晶体生长技术(直拉法、区熔法),在芯片加工环节中,对环境、水、气体、试剂等方面的要求;掌握硅圆片制备及规格,晶体缺陷,晶体定向、晶体研磨、抛光的概念、原理和方法及控制技术。

2、掌握SiO2结构及性质,硅的热氧化,影响氧化速率的因素,氧化缺陷,掩蔽扩散所需最小SiO2层厚度的估算;了解SiO2薄膜厚度的测量方法。

3、掌握杂质扩散机理,扩散系数和扩散方程,扩散杂质分布;了解常用扩散工艺及系统设备。

4、掌握离子注入原理、特点及应用;了解离子注入系统组成,浓度分布,注入损伤和退火。

第6部分逻辑门电路-

第6部分逻辑门电路-
PMOS电路。由P沟道MOS管构成,制造工 艺简单,但工作速度较低。
NMOS电路。由N沟道MOS管构成,制造工 艺复杂,但工作速度优于PMOS电路。
33
2019/10/26
CMOS电路。由PMOS管和NMOS管构成的互补对称型 MOS电路,优点是静态功耗低、抗干扰能力强、工作 稳定性好、开关速度较高。虽然制作工艺相对复杂、成 本偏高,但由于其优点突出,是现在发展最快、应用广 泛的一种集成电路。
34
2019/10/26
6.3.1 常见CMOS门电路
1. CMOS与非门 高速CMOS集成电路54/74HC00为四2输入与非门,
即内部集成了四个2输入与非门,
35
2019/10/26
36
2019/10/26
2. CMOS或非门 高速CMOS集成电路54/74HC02为2输入四或非门。
37
2019/10/26
砷、锑等)。 杂质原子的五个价电子与周围硅原子组成共价键时,
多出一个价电子,使晶体产生一个自由电子。 根据掺入杂质的多少,可以控制自由电子的数量。
由于自由电子的数量远远大于空穴的数量,这种半导体 导电以自由电子导电为主。将自由电子称为多数载流子, 简称多子;空穴称为少数载流子,简称少子。
9
2019/10/26
(1)电源规则 电源极性不能接反,否则将会造成集成电路的
永久损坏。另外,电源电压应保持在最大极限电压范 围之内。电源电压越高,电路抗干扰能力就越强,允 许的工作频率就越高,但功耗会相应增大。
43
2019/10/26
(2)输入规则 与TTL门电路不同,CMOS门电路的多余输入端禁
止悬空,而应采取如下措施: ①多余的与输入端接VDD或高电平。 ②多余的或输入端接VSS或低电平,也可以通过电

数字集成电路第6章 CMOS静态逻辑电路11

数字集成电路第6章 CMOS静态逻辑电路11

态CMOS逻辑门节省了近一半器件。
类NMOS逻辑门
VDD PMOS Load
OUT
VSS F In1 In In2 In3
Pulldown Network
Out
PDN
Idn
VSS pseudo-NMOS inverter
Pseudo-NMOS AOI
47
类NMOS反相器的工作分析
功能所需的晶体管数 目减小面积;
逻辑结构
由一个实现逻辑功能的NMOS下拉网络和一负 载器件构成。
45
类NMOS电路只用NMOS管串并联构成逻辑功能块,上拉通路用一个
常导通的PMOS管代替复杂的PMOS逻辑功能块。 因此,对于n输入逻辑门,类NMOS电路只需要n+1个MOS管。比静
总结: 电路的总延迟时间不完全决定于所经过的逻辑门的级 数多少,而是与每个逻辑门的具体结构和器件参数密 切有关。减少每个逻辑门的输入端数有利于减小面积 和改善速度。
第六章 静态CMOS逻辑电路
CMOS与非门和或非门
静态CMOS逻辑门的构成特点
类NMOS逻辑电路 MOS传输门
类NMOS电路

PMOS管工作在线性区;
2 2
I DD K P [(VG VS VTP ) 2 (VG VD VTP ) 2 ] = K P [(VDD VTP ) (Vout VTP ) ] 0
VOH VDD
49
类NMOS反相器的VTC分析 2

输入为高电平时,类NMOS反相器的下拉网络导通, 将输出下拉,输出低电平; Vin VDD :NMOS管工作线性区 (Vout Vin VTN ) ;
对NMOS下拉网络的构成规律: NMOS管串联实现与操作;
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但VT增加,速度减慢
漏极(D)
存在速度和 功耗的折中 考虑
由少数载流子的扩散引起,类 似横向晶体管
I sub I s e
2018/10/12
[ q (VGS VT Voffset ) / nkT ](1 e ( qVDS / kT ) )
-0.1~0.1之间 亚阈值振幅系数
降低待机功耗的方法举例: MTCMOS(Multi-Threshold-Voltage CMOS)技术
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CMOS静态逻辑门的小结
复合CMOS逻辑门的构成
NMOS、PMOS互补: (并联《====》串联) NMOS 输出为“0” PMOS 输出为“1” 生成电路为负逻辑: 组成AND和OR时, 加一反向器。 晶体管数为: 输入端 子数的两倍。
P网
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作业:
名词解释:静态功耗,动态功耗 简述CMOS反相器功耗的构成。

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Vin Vout
1.静态功耗PS
输出
输入 输出
常规 在输入为0或1(VDD)时,两个MOS管中总是一个截止 一个导通,因此没有从VDD到VSS的直流通路,也没有电 流流入栅极,因此其静态电流和功耗几乎为0。
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对于深亚微米器件,存在泄漏电流Ileakage
VDD Ileakage
Vout
Ipn=A•JS
漏极扩散结漏电流
栅极漏电流
亚阈值漏电流
由越过沟道区的少数载流子扩 散电流引起的
随着特征尺寸的减小,泄漏电流功耗变得不可忽视, 减小泄漏电流功耗是目前的研究热点之一。
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反向偏置二极管漏电流
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亚阈值漏电流
VG
源极(S)
栅极(G)
VT降低,Isub增大 ID VD
半导体 集成电路
学校:西安理工大学 院系:自动化学院电子工程系 专业:电子、微电 时间:秋季学期
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CMOS静态门电路的功耗
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内容提要
功耗的组成 静态功耗及减小措施举例 动态功耗及减小措施举例 CMOS静态门电路的小结

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CMOS反相器的功耗
• 正常工作时采用低阈 值电压,以减少CMOS 电路的延迟时间
• 待机时采用高阈值 电压,以减少CMOS 电路的泄漏电流
保持速度性能的基础上, 大幅度降低功耗
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高Vt
低Vt
VDD
SL
电路工作时 导通,待机 时截止
低阈值逻辑电路
VSS
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2.动态功耗PD
1. 短路电流功耗:在输入从0 到1或者从1到0瞬变过程中, NMOS管和PMOS管都处于导通 状态,此时存在一个窄的从VDD 到VSS的电流脉冲,由此引起的功 耗叫短路电流功耗。 2. 瞬态功耗:在电路开关动作 时,对输出端负载电容进行放 电引起的功耗。

tp
0
(i 'VDD )dt ,
假设交变电流i '的波形为三角形,Pdp可近似为: Pdp
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1 f pVDD I 'max (tr t f ) 2
瞬态功耗
Vdd
Vin
Vout
CL
每次翻转消耗的能量E
E=CLVDD2
Pdyn=E*f=CLVDD2f
动态(翻转)的能量和功耗:与驱动器件的电阻无关 为减小功耗需要减小CL ,VDD 和f
Vdd
V VDD
1 0
1.当输入信号为0时: 2.当输入信号为VDD时: 3.当输入信号从0->1(发生跳变)时: CL
0
静态功耗
t
输出保持1不变,没有电荷转移 输出保持0不变,没有电荷转移 输出从“1”转变为“0”, 有电荷转 移
动态功耗
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CMOS反相器的功耗
功耗组成:
1. 静态功耗 2. 动态功耗
VDD (1) (2)
(3) (4) (5)
Vout
N截止 N饱和 N非饱 N非饱 P非饱 P非饱 和 和 和 和 P饱和 P截止
0
VIL
VIH
Vin
VDD
Vdd
通常(开关频率较低 时)为动态功耗的主 要组成部分
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Hale Waihona Puke CL短路电流功耗Vin
Vdd
Vout
Vout iC
tp
CL
1 Pdp tp
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反相器的平 均转换频率
电路中通常用时钟频率fclk
Pdyn=αCLVDD2fclk
开关活动因子
clk out
α=25%
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降低动态功耗的基本原则
降低电源电压 降低开关活动性
减少实际电容
尽量降低电路门数
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降低电源电压举例
双电源LSI设计技术
F/F F/F F/F
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降低开关活动性举例
减少毛刺和竞争冒险
设计时,使各支路的延时尽可能平衡
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CMOS静态逻辑门的小结
逻辑门的输入输出电平
MOS反相器的静态特性
逻辑门的噪声容限 逻辑门的逻辑阈值
MOS反相器的动态特性
逻辑门的开关特性
逻辑门的功耗
F/F
F/F F/F
F/F
F/F
FF_A
F/F
F/F
FF_B
对于非关键路径采用低 电源电压
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降低电源电压举例
小振幅数据通路技术
• 数据通路信号的振幅减低 • 在数据表现形式上下功夫,减少信号的迁移几率
• 在不变更系统结构的基础上,采用专用数据通路(LVDS), 以减少电路规模
低电压差分信号
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