CMOS集成电路设计基础-数字集成电路基础
数字集成电路设计基础
数字集成电路设计基础
1. 数字逻辑
•布尔代数
•组合逻辑电路
•时序逻辑电路
•状态机
2. CMOS 技术
•CMOS 器件的结构和特性•MOS 晶体管的开关特性•CMOS 逻辑门
•CMOS 存储器
3. 数字集成电路设计流程
•系统规范
•架构设计
•逻辑设计
•物理设计
•验证和测试
4. 组合逻辑电路设计
•门级优化
•多级逻辑优化
•可编程逻辑器件 (FPGA)
5. 时序逻辑电路设计
•时钟和复位电路
•触发器和锁存器
•同步和异步时序电路
6. 存储器设计
•静态随机存取存储器 (SRAM) •动态随机存取存储器 (DRAM) •只读存储器 (ROM)
•闪存
7. 芯片设计中的布局和布线
•布局约束和规则•布线算法
•时序和功耗优化8. 验证和测试
•功能验证
•时序验证
•制造测试
9. 数字集成电路应用•微处理器和单片机•数字信号处理•通信系统
•嵌入式系统
其他重要概念：
•数制转换
•可靠性和容错性•EDA 工具
•低功耗设计
•可制造性设计。
cmos数字集成电路设计流程
CMOS数字集成电路设计流程一、介绍CMOS数字集成电路设计是现代电子工程中的重要分支之一，涉及到数字逻辑、电子设计自动化、半导体器件物理和工艺等多个领域。
在数字集成电路的设计流程中，工程师需要进行功能分析、设计规划、逻辑综合、电路布局、版图设计、物理验证和后仿真等多个环节。
本文将就CMOS数字集成电路设计流程的各个环节进行详细介绍。
二、功能分析在进行CMOS数字集成电路设计之前，工程师需要首先完成功能分析。
在功能分析阶段，工程师需要明确电路的功能需求，包括各种逻辑门、寄存器、存储器等组件的功能与接口要求。
还需要对设计的电路进行规模估计，明确设计的规模和复杂度，为后续的设计规划和逻辑综合提供依据。
三、设计规划在完成功能分析之后，工程师需要进行设计规划。
设计规划阶段需要明确设计的总体结构、数据传输路径、时钟和控制信号的分配等。
还需要进行功耗和面积的预估，并确定设计的性能指标和约束条件等。
四、逻辑综合逻辑综合是数字集成电路设计的重要环节之一。
在逻辑综合过程中，工程师需要将设计的功能描述转换为门级网表，然后进行优化，包括面积优化、功耗优化、时序优化等。
逻辑综合的结果将是门级网表，为后续的电路布局和版图设计提供基础。
五、电路布局电路布局是数字集成电路设计的关键环节之一。
在电路布局过程中，工程师需要将逻辑综合的门级网表映射到物理结构上，并进行布线和布局设计。
电路布局需要考虑电路的面积、功耗、时序等多个方面的优化，并确保电路的稳定性和可靠性。
六、版图设计版图设计是数字集成电路设计中的重要环节之一。
在版图设计过程中，工程师需要将电路布局转换为实际的版图，并进行细化设计，包括晶体管布局、金属线路设计、接口电路设计等。
版图设计需要满足工艺规则和制约条件，确保设计的可制造性和可测试性。
七、物理验证物理验证是数字集成电路设计中不可或缺的一环。
在物理验证过程中，工程师需要进行电路的各种仿真和验证工作，包括静态时序分析、动态时序分析、功耗分析、布局抽取等。
集成电路原理课件-cmos
1
微电子学
• 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 • 微电子技术的核心是集成电路（Integrated Circuit, IC） 技术 • 微电子学是电子学的一门分支，主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 • 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的，研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺，在 一块半导体芯片上制作大量的器件，从而在一个微 小面积中制造出复杂的电子系统。
I
D
dx
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
I/V特性的推导（3）
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] （2.8） L 2 W VGS - VTH 称为过驱动电压； 称为宽长比 L 三极管区(线性区)
每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最 大值，且大小为：
CGD CGS
WLCOX WCOv 2
CGB可以忽略不计
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj
源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
MOS器件电容
栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系
1) VGS < VTH截止区
CGD CGS WCOv
CGB W 2 L2 COX q si N sub / 4 F WLCOX Cd = 其中Cd＝WL q si N sub / 4 F WLCOX Cd WLCOX WL q si N sub / 4 F
CMOS电路基础原理
CMOS电路基础原理CMOS（互补金属氧化物半导体）电路是现代电子领域中常用的集成电路设计技术。
它在数字逻辑电路和模拟电路中广泛应用，并且具有低功耗、高集成度以及较强的抗干扰能力等优点。
本文将介绍CMOS电路的基础原理。
一、CMOS电路结构CMOS电路由N沟道金属氧化物半导体场效应管和P沟道金属氧化物半导体场效应管构成。
N沟道和P沟道管具有互补的传输特性，能够有效降低功耗。
CMOS电路结构包括传输门、组合逻辑电路和时钟电路等。
1. 传输门传输门是CMOS电路的基本单元，常见的有与门、或门以及非门等。
与门由一对并联的P沟道和N沟道管组成，当且仅当两个输入信号同时为高电平时，输出为高电平。
或门由一对串联的P沟道和N沟道管组成，当且仅当两个输入信号中至少一个为高电平时，输出为高电平。
非门由两个逆并联的P沟道和N沟道管组成，当输入信号为高电平时，输出为低电平。
2. 组合逻辑电路CMOS电路中的组合逻辑电路包括与非门、异或门等。
与非门由与门和非门级联而成，输入信号经过与门进行与操作，然后再经过非门进行取反操作。
异或门由与非门和异或非门级联而成，输入信号经过与非门进行与非操作，然后再经过异或非门进行异或操作。
3. 时钟电路CMOS电路中的时钟电路包括振荡电路和触发器等。
振荡电路用于产生稳定的时钟信号，常见的电路有RC振荡电路和LC振荡电路等。
触发器用于存储和传输信息，常见的触发器有RS触发器、D触发器以及JK触发器等。
二、CMOS电路工作原理CMOS电路的工作原理基于PN结和MOSFET的特性。
当控制电压施加于PN结时，PN结正向偏置导通，反向偏置截止。
同时，对于MOSFET来说，当栅极电压低于阈值电压时，沟道断开；当栅极电压高于阈值电压时，沟道导通。
CMOS电路中，P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的栅极交替连接，形成互补对。
当输入信号为低电平时，P沟道MOSFET导通，N 沟道MOSFET截止；当输入信号为高电平时，P沟道MOSFET截止，N沟道MOSFET导通。
CMOS集成电路设计基础
CMOS集成电路设计基础CMOS（亦称互补金属氧化物半导体）是一种常用的集成电路设计技术，它在数字电路中广泛使用。
本文将详细介绍CMOS集成电路设计的基础知识。
CMOS电路是由PMOS（P型金属氧化物半导体）和NMOS（N型金属氧化物半导体）晶体管组成的。
PMOS和NMOS的工作原理相反，当输入信号为高电平时，PMOS开关导通，NMOS截断；当输入信号为低电平时，PMOS截断，NMOS导通。
通过PMOS和NMOS的结合，可以实现高度集成的数字电路。
CMOS电路的优势主要体现在以下几个方面：1.功耗低：由于CMOS电路只有在切换时才消耗功耗，因此静态功耗基本可以忽略不计。
而且CMOS在开关时的功耗也非常低。
2.噪声低：CMOS电路的输出电平会受到两个晶体管开关阈值的影响，这样可以减小由于电流变化而引起的噪声。
3.集成度高：CMOS电路可以实现非常高的集成度，因为它的结构非常简单，只需要两种类型的晶体管。
1.逻辑门设计：逻辑门是CMOS电路的基本单元，它可以实现与门、或门、非门等逻辑运算。
逻辑门的设计要考虑功耗、速度和面积等因素。
2.布局设计：布局设计是将逻辑门按照一定的规则进行布置，以实现电路的高集成度和高性能。
布局设计需要考虑晶体管的相互影响，以及电路的信号延迟等因素。
3.时序设计：时序设计是指在设计中考虑到电路的时序特性，以满足时序约束。
时序设计需要考虑时钟频率、延迟等因素，以确保电路的正确操作。
4.电源和地设计：CMOS电路需要提供稳定的电源和地，以确保电路的正常运行。
电源和地的设计需要考虑电源噪声、电源提供能力等因素。
总之，CMOS集成电路设计基础知识包括逻辑门设计、布局设计、时序设计和电源地设计等方面。
了解这些基础知识，可以帮助我们理解和设计复杂的CMOS集成电路，提高电路的性能和可靠性。
电子技术相关 《数字集成电路基础》作业答案
《数字集成电路基础》作业答案第一次作业1、查询典型的TTL与CMOS系列标准电路各自的VIH、VIL、VOH和VOL，注明资料出处。
2、简述摩尔定律的内涵，如何引领国际半导体工艺的发展。
第二次作业1、说明CMOS电路的Latch Up效应；请画出示意图并简要说明其产生原因；并简述消除“Latch-up”效应的方法。
答：在单阱工艺的MOS器件中（P阱为例），由于NMOS管源与衬底组成PN结，而PMOS 管的源与衬底也构成一个PN结，两个PN结串联组成PNPN结构，即两个寄生三极管(NPN 和PNP)，一旦有因素使得寄生三极管有一个微弱导通，两者的正反馈使得电流积聚增加，产生自锁现象。
影响：产生自锁后，如果电源能提供足够大的电流，则由于电流过大，电路将被烧毁。
消除“Latch-up”效应的方法：版图设计时：为减小寄生电阻Rs和Rw，版图设计时采用双阱工艺、多增加电源和地接触孔数目，加粗电源线和地线，对接触进行合理规划布局，减小有害的电位梯度；工艺设计时：降低寄生三极管的电流放大倍数：以N阱CMOS为例，为降低两晶体管的放大倍数，有效提高抗自锁的能力，注意扩散浓度的控制。
为减小寄生PNP管的寄生电阻Rs，可在高浓度硅上外延低浓度硅作为衬底，抑制自锁效应。
工艺上采用深阱扩散增加基区宽度可以有效降低寄生NPN管的放大倍数；具体应用时：使用时尽量避免各种串扰的引入，注意输出电流不易过大。
2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响？答：器件的亚阈值特性是指在分析MOSFET时，当Vgs<Vth时MOS器件仍然有一个弱的反型层存在，漏源电流Id并非是无限小，而是与Vgs呈现指数关系，这种效应称作亚阈值效应。
影响：亚阈值导电会导致较大的功率损耗，在大型电路中，如内存中，其信息能量损耗可能使存储信息改变，使电路不能正常工作。
3、什么叫做亚阈值导电效应？并简单画出logI D-V GS特性曲线。
答：GS在分析MOSFET时，我们一直假设：当V GS下降到低于V TH时器件会突然关断。
集成电路版图基础-CMOS版图篇01
沟道长度 L 电流方向
设计中，常以宽度和长度值的比例式即宽 长比（W/L）表示器件尺寸。 例：假设一MOS管，尺寸参数为20/5。则 在版图上应如何标注其尺寸。
20/5
3、图形绘制
英特尔65纳米双核处理器的扫描电镜(SEM)截面图
常用图层 版图图层名称 Nwell Active Pselect Nselect Poly cc Metal1 Metal2 Via 含义 N阱 有源扩散区 P型注入掩膜 N型注入掩膜 多晶硅 引线孔 第一层金属 第二层金属 通孔
“混合棒状图”法：
矩形代表有源区(宽度不限)； 实线代表金属； 虚线代表多晶硅；
“×”代表引线孔。其它层次不画,
通常靠近电源vdd的是P管，靠近地线gnd 的是N管。
反相器棒状图
电路图-棒状图-版图
a
b
练习
三输入与非门、或非门棒状图
注意：
不同软件对图层名称定义不同； 严格区分图层作用。
版图图层名称 cc（或cont） Via
含义 引线孔（连接金属与多晶硅 或有源区） 通孔（连接第一和第二层金 属）
MOS器件版图图层 ——PMOS
N阱——NWELL P型注入掩模——PSELECT 有源扩散区——ACTIVE 多晶硅栅——POLY 引线孔——CC 金属一——METAL1 通孔一——VIA 金属二——METAL2
MOS器件版图图层 ——NMOS
N型注入掩模——NSELECT 有源扩散区——ACTIVE 多晶硅栅——POLY 引线孔——CC 金属一——METAL1 通孔一——VIA 金属二——METAL2
CMOS集成电路设计基础第二版教学设计
CMOS集成电路设计基础第二版教学设计1. 简介本教学设计旨在向学生介绍CMOS集成电路设计的基础知识，包括CMOS电路的基本原理、CMOS工艺流程、CMOS逻辑门设计、镜像电路和放大器设计等方面内容。
本教学设计适用于电子信息工程等相关专业的本科生。
2. 教学目标•理解CMOS电路的基本原理•熟悉CMOS工艺流程•能够使用CMOS逻辑门设计电路•熟悉镜像电路的原理和应用•理解放大器的基本原理和设计方法3. 教学内容和安排3.1 CMOS电路基本原理本部分将重点介绍CMOS电路的全称及其基本原理，采用讲解和讨论相结合的方式进行教学。
通过分析不同类型的CMOS电路的工作原理，学生能了解。
时间内容1学时课程介绍2学时CMOS电路的基本概念3学时CMOS电路的基本原理和特点4学时CMOS电路的应用案例3.2 CMOS工艺流程本部分将介绍CMOS电路的工艺流程，包括淀粉土法、半导体刻蚀、光刻和离子注入等设计中常用的工艺流程。
并通过展示样本，让学生深入认识CMOS电路设计的具体操作。
时间内容1学时CMOS工艺流程介绍2学时淀粉土法3学时半导体刻蚀4学时光刻及离子注入3.3 CMOS逻辑门设计本部分将介绍如何使用CMOS逻辑门进行电路设计，主要包括哪些逻辑门可以使用，如何实现逻辑门的输出以及如何构建复合逻辑门等方面内容。
时间内容1学时CMOS逻辑门基本概念2学时CMOS逻辑门实现原理3学时使用CMOS逻辑门设计电路4学时构建复合逻辑门3.4 镜像电路及放大器设计本部分将介绍镜像电路的基本原理和应用，同时讲解放大器的基本原理和常用的设计方法。
通过实际案例和实验，让学生深入理解镜像电路和放大器的性能和设计。
时间内容1学时镜像电路基本概念2学时镜像电路的应用案例3学时放大器的基本原理4学时放大器设计实验3.5 课程作业课后，将给学生布置一份与本门课程相关的综合作业，使学生在掌握基本理论知识的同时，加强对实际电路设计的理解和能力。
数字集成电路设计 第5章 cmos反相器..
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即使电源电压很低时，晶体管仍能导通，仍然 具有反相器的特性，因为亚阈值电流足以使该门在 低电平和高电平之间切换，并提供足够的增益从而 得到可接受的VTC。
但使得门的特性变的很差。VOL和VOH不再等于 电源的两个电平，并且过渡区的增益接近1。 为了能得到足够的增益以用于数字电路，必须使 电源为热电势的两倍，否则就只能降低热电势，即 降低环境温度，冷却该电路
(W/L)p kn’VDSATn(VM-VTn-VDSATn/2) = (W/L)n kp’VDSATp(VDD-VM+VTp+VDSATp/2)
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1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.1 1
~3.4
VM 对于器件比值的变化 相对来说是不敏感的。
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当NMOS和PMOS器件的电流相等时，一个直流（dc） 工作点成立。因此dc工作点必须处在两条相应负载线 的交点上。 所有的交点（工作点）不是在高输出电平就是在低输 出电平上。因此反相器的VTC曲线显示出具有非常窄 的过渡区。 在过渡区内，两管同时导通且处于饱和状态。
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2、降低电源电压
2.5
0.2
2
0.15
Vout (V)
1.5 1 0.5 0 0 0.5 1
Vin (V)
降低VDD改善了增益
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Vout (V)
0.1
0.05
增益=-1
0
1.5
2
2.5
0
0.05
0.1
0.15
0.2
详细的集成电路版图基础介绍-CMOS版图
(4)最小延伸 例如，多晶栅极
须延伸到有源区 外一定长度。
在符合设计规则的前 提下， 争取最小的版图面积
5、阱与衬底连接
通常将PMOS管的衬底接高电位（正压）； NMOS管的衬底接低电位（负压），以保 证电路正常工作
衬底材料导电性较差，为了保证接触的效 果，需要在接触区域制作一个同有源区类 似的掺杂区域降低接触电阻，形成接触区。
大面积的栅极与衬底之间有氧化 层隔绝，形成平板电容
栅电压降低
细长的C W LC0
MOS管栅极串联电阻值
R W / L R
S G
D
设计方法 （1）分段──
大尺寸MOS管分段成若干小尺寸MOS管。
(a) MOS管的W/L=200/1
CMOS集成电路版图基础
定义版图
什么是版图？ 集成电路制造工艺中，通过光刻和刻蚀将
掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造 集成电路时使用的掩膜版上的几何图形定 义为集成电路的版图。 版图要求与对应电路严格匹配，具有完全 相同的器件、端口、连线
一、单个MOS管的版图实现
栅极负责施加控制电压 源极、漏极负 责电流的流进 流出
MOS器件版图图层 ——NMOS
N型注入掩模——NSELECT 有源扩散区——ACTIVE 多晶硅栅——POLY 引线孔——CC 金属一——METAL1 通孔一——VIA 金属二——METAL2
结构图 立体结构和俯视图
多晶硅栅（POLY）
金属一（METAL1）
引线孔（CC）
N型注入掩模 （NSELECT）
a）由源、栅和漏组成的器件；
b）衬底连接。
源区、沟道区和漏区合称为MOS管的 有源区(Active），有源区之外的区域 定义为场区（Fox)。有源区和场区之 和就是整个芯片表面即基片衬底 （SUB）。
CMOS数字集成电路：分析与设计（第三版）（中文版）
CMOS数字集成电路：分析与设计（第三版）（中文版）佚名
【期刊名称】《电气电子教学学报》
【年(卷),期】2006(28)3
【摘要】内容简介：本书集中讲述CMOS数字集成电路，反映现代技术的发展水平，提供电路设计的最新资料。
本书共有15章。
前半部分详细讨论MOS晶体管相关特性和工作原理、基本反相器电路设计、组合逻辑电路及时序逻辑电路的结构与工作原理。
后半部分介绍应用于先进VLSI芯片设计的动态逻辑电路，先进的半导体存储电路，低功耗MCMOS逻辑电路，双极性晶体管基本原理和BiCMOS数字电路设计，芯片的I／O设计，电路的可制造性设计和可测试性设计等问题。
【总页数】1页(P44-44)
【关键词】CMOS数字集成电路;分析与设计;中文版;第三版;数字电路设计;CMOS 逻辑电路;时序逻辑电路;工作原理;MOS晶体管;组合逻辑电路
【正文语种】中文
【中图分类】TN79;TM44
【相关文献】
1.CMOS数字集成电路I/O单元设计分析 [J], 刘艳艳;耿卫东;代永平;孙钟林
2.基于CMOS工艺的中小规模数字集成电路设计浅析 [J], 孙玲;陈海进
3.高温CMOS数字集成电路的瞬态特性分析 [J], 柯导明;柯晓黎
4.《CMOS数字集成电路:分析与设计》课程教学探索 [J], 陈伟中;贺利军;黄义;周
前能;杨虹
5.CMOS数字集成电路的低功耗设计 [J], 陈光胜;张旭;沈力为
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CMOS集成电路设计基础解读
MOS管的电流方程
NMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程
0 nCox 2 nCox 2
UGS<UTHN (截止区)
I DN
W L W L
2 UDS<UGS-UTHN [ 2 ( U U ) U U ] GS THN DS DS (线性区) 2 U GS U THN (1 nU DS )
CMOS集成电路设计基础 －MOS器件
MOS器件
G S W 多晶硅 D 氧化层
N＋ P型 衬 底
Lef f Ld raw n
N＋
LD
NMOS管的简化结构
制作在P型衬底上(P-Substrate, 也称bulk或body, 为了区别于源极 S， 衬底以B来表示)， 两个重掺杂N区形成源区和漏区， 重掺 杂多晶硅区(Poly)作为栅极， 一层薄SiO2绝缘层作为栅极与衬底 的隔离。 NMOS管的有效作用就发生在栅氧下的衬底表面——导电沟道 (Channel)上。 由于源漏结的横向扩散， 栅源和栅漏有一重叠长度为LD， 所以 导电沟道有效长度(Leff)将小于版图中所画的导电沟道总长度。 我们将用L表示导电沟道有效总长度Leff， W表示沟道宽度。 宽长比(W/L)和氧化层厚度tox这两个参数对MOS管的性能非常 重要。 而MOS技术发展中的主要推动力就是在保证电性能参数 不下降的前提下， 一代一代地缩小沟道长度L和氧化层厚度tox。
UDS=UGS-UTH 则沟 道在漏区边界上被 夹断， 因此该点电 压称为预夹断电压。 UDS>UGS-UTH 管子工
源区(N＋) 电流
漏区(N＋)
UD S＞UG S－UTH (恒流区)
作在恒流区， 此时若
cmos集成电路设计手册数字篇
CMOS集成电路设计手册数字篇随着信息技术的发展，集成电路作为电子技术的核心部分，其在各个领域的应用越来越广泛。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）集成电路因其低功耗、高集成度和成本低廉等特点，已成为目前最主流的集成电路制造技术之一。
而在CMOS集成电路设计中，数字电路设计是其中的一个重要组成部分。
本文将对CMOS集成电路设计手册中的数字篇进行系统性的介绍和分析，以期为相关从业人员和学习者提供一定的参考和帮助。
一、数字电路设计原理1.1 布尔代数基础布尔代数是数字电路设计的基础，它通过逻辑运算来描述数字信号的行为。
在CMOS数字电路设计中，常用的逻辑运算有与、或、非等。
布尔代数的基本公式有以下几个：- 与运算：C=A*B，当且仅当A和B同时为1时，C才为1。
- 或运算：C=A+B，当A或B中有一个为1时，C即为1。
- 非运算：C=¬A，表示对A进行取反操作。
1.2 逻辑门设计逻辑门是数字电路的基本组成单元，它可以实现特定的逻辑功能。
在CMOS集成电路设计中，常用的逻辑门包括与门、或门、非门等。
逻辑门的设计原理是将多个晶体管按照一定的布局方式组合在一起，以实现不同的逻辑功能。
1.3 时序电路设计时序电路是数字电路中的一个重要部分，它涉及到时钟信号的产生、分配和应用。
在CMOS数字电路设计中，时序电路的设计需要考虑到时钟信号的稳定性、延迟和抖动等因素，以确保数字电路的正常运行。
二、 CMOS数字电路设计流程2.1 电路规格确定在进行CMOS数字电路设计时，首先需要明确电路的功能和性能规格。
这包括电路的输入、输出规定、时序要求以及功耗、面积等指标。
只有明确了电路的规格，才能为后续的设计提供清晰的目标和方向。
2.2 逻辑电路设计在电路规格确定后，接下来是逻辑电路设计。
这一阶段主要包括逻辑功能的定义和实现、逻辑门的选择和布局等工作。
通过对逻辑电路的设计，可以确定电路中需要的逻辑门数量和结构。
CMOS集成电路基础知识
CMOS集成电路基础知识CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor一词的缩写。
在业余电子制作中我们经常会用到它，这里系统、详细的介绍一些CMOS 集成电路基础知识及使用注意事项。
CMOS集成电路的性能及特点功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。
实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。
单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。
工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。
国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。
逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。
当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。
因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。
抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。
随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。
对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V 左右的噪声容限。
输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。
温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。
cmos模拟集成电路设计基础
cmos模拟集成电路设计基础CMOS模拟集成电路（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Analog Integrated Circuit）是一种基于CMOS技术的模拟电路集成化设计。
以下是CMOS模拟集成电路设计的基础知识：1.CMOS技术：CMOS是一种集成电路制造技术，其中包含两种类型的晶体管：NMOS（N型金属氧化物半导体）和PMOS（P型金属氧化物半导体）。
通过将NMOS和PMOS 晶体管结合，可以实现低功耗、高集成度和高性能的模拟集成电路设计。
2.基本元件：CMOS模拟集成电路设计中使用的基本元件包括晶体管、电容器和电阻器。
NMOS和PMOS晶体管用于实现放大和开关功能，电容器用于存储电荷和控制频率响应，电阻器用于调整电路的工作条件。
3.偏置电路：CMOS模拟集成电路中的偏置电路用于提供恒定和稳定的电流或电压。
它包括电流镜（Current Mirror）电路和电压源（Voltage Reference）电路。
这些电路通过调整电流和电压的偏置，使电路在不同工作条件下具有可靠的性能。
4.放大电路：CMOS模拟集成电路中的放大电路用于增强输入信号的幅度。
放大电路通常由差分放大器（Differential Amplifier）和级联的共尺寸（Common-Source）放大器组成。
放大电路的设计需要考虑输入电阻、增益、带宽和稳定性等因素。
5.反馈电路：CMOS模拟集成电路中的反馈电路用于控制电路的增益和稳定性。
反馈电路通过将一部分输出信号反馈到输入端，调整输入和输出之间的关系，实现精确的控制和稳定性。
6.输出级：CMOS模拟集成电路的输出级用于驱动负载并提供所需的电流或电压。
输出级通常包括驱动电路和输出级晶体管。
7.噪声和功耗：在CMOS模拟集成电路设计中，需要注意噪声和功耗的控制。
减小噪声可以通过优化偏置电路和减小环境干扰来实现。
降低功耗可以通过优化电路结构、选择合适的电源电压和电流等方式来实现。
CMOS集成电路设计基础
UGN
Ui
UDD
UGP
Uo CL
UGN UGP
传输门电路及栅极控制电压波形
CMOS传输门的直流传输特性
CMOS传输门的直流传输特性如图 所示， 它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。
(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(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ， “0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V):
1. AB段 在AB段， 0<Ui<UTHN, IDN=0, N管截止， P管
非恒流(饱和)导通， 有
Uo=UOH=UDD 2. BC段
UTHN<Ui<Uo+|UTHP| 即
UGDP=|Ui-Uo|<|UTHP|
3. CD段
当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN
N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
延时的定义
环型振荡器
（7）逻辑门的功耗
瞬时功耗: p(t) =v(t)i(t) =Vsupplyi(t)
峰值功耗: Ppeak =Vsupplyipeak
平均功耗:
P
ave
1 T
tT t
p(t)dt V
supply
T
tT t
isuppl(y t)dt
功率延时积
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
随着Ui进一步增大， 当满足 UDD+UTHP≤Ui≤UDD 时， P管截止， IDP=0, N管维持非饱和导通而导致Uo=0。
CMOS集成电路设计基础1
dUTH 4mV / C dT dUTH 2mV / C dT
重掺杂 轻掺杂
λn、 λp——沟道调制系数， 即UDS对沟道长 度的影响。
NMOS PMOS
n
1 UA
0.01/V
p
1 UA
0.02 /V
式中， UA为厄尔利电压(Early Voltage)
对于典型的0.5 μm工艺的MOS管， 忽略沟道调制效应， 其 主要参数如下表所示
衬底的连接
UDD
G
B
S
D
G
B
S
D
N＋
P＋
P＋
N型 衬 底 (a)
P＋
N＋
N＋
P型 衬 底 (b)
为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动而不产生垂直 于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟道和衬底间必须形成反
偏的PN结隔离， 因此， NMOS管的衬底B必须接到系统的最低 电位点(例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最 高电位点(例如正电源UDD)。 衬底的连接如图 (a)、 (b)所示。
L、 W尺寸对UTH的影响
在长沟道器件中， 阈值电压UTH与沟道长度L和沟 道宽度W的关系不大； 而在短沟道器件中， UTH与L、 W的关系较大。 UTH随着L的增大而增大， 随着W的 增大而减小。
UTH / V Nsub ＝ 1107 cm－ 3
Nsub ＝ 1106 cm－ 3
0
1
2
3
4
(a)
μp——空穴迁移率(单位电场作用下空穴的迁移速度)。 μp≈500 cm2/s·V
n 1300 2.6 p 500
Cox——单位面积栅电容
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对逻辑门的基本要求
1）鲁棒性（用静态或稳态行为来表示）
静态特性常常用电压传输特性（VTC）来表示即输出与输入的关 系），传输特性上具有一些重要的特征点。 逻辑门的功能会因制造过程的差异而偏离设计的期望值。
（2）噪声容限：芯片内外的噪声会使电路的响应 偏离设计的期望值（电感、电容耦合，电源与地线 的噪声）。一个门对于噪声的敏感程度由噪声容限 表示。 可靠性―数字集成电路中的噪声
噪声来源： （1）串扰（2）电源与地线噪声（3）干扰（4）失调 应当区分： （1）固定噪声源（2）比例噪声源 浮空节点比由低阻抗电压源驱动的节点更易受干扰 设计时总的噪声容限分配给所预见的噪声源
高电平噪声容限
低电平噪声容限
最低输入高电平（VIHmin） 最低输出高电平（VOHmin） 最高输入低电平（VILmax） 最高输出低电平（VOLmax） 高电平噪声容限(NMH) ＝ VOHmin － VIHmin 低电平噪声容限(NML) ＝ VILmax － VOLmax
理想逻辑门
Ri =∞ Ro =0
Fanout =∞
NMH = NML = VDD/2
（3）逻辑门的“单向性”：输出电平的变化不应出现在任何一个 输入上但实际情况在输出与输入之间总有反馈。（如密勒效应）
（4）逻辑门的扇出（Fan-out) 和逻辑门的扇入（Fan-in）
（5）逻辑门的面积与复杂性（集成度与速度） （6）动态性能（由动态或瞬态响应来决定） 上升时间、下降时间（tr ，tf ） 传播时间（tPHL ，tPLH ，tP） 一个门的传播时间与扇出和扇入数有关
② Ui>UG-UTH， 输入端沟道被夹断， 此时若Uo初始值小于(UG-UTH)， 但随着Uo上升， 沟道电流逐渐减小， 当Uo升至(UG-UTH)时， 输出 端沟道也被夹断， 导致NMOS管截止， 从而使输出电压Uo维持在 (UG-UTH)不变。 若此时Ui=UG=UDD， 则输出电压Uo为
则输出端沟道存在， NMOS管导通， 沟道电流对CL充电， Uo上升。
(2) 当UG=“1”(UDD)时， NMOS管导通(开关合上)， 此时视Ui的大小 分两种情况： ① Ui<UG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压)， 输入端呈开启状态， 设Uo初始值为零， 则Ui刚加上时， 输出端 也呈开启状态， NMOS管导通， 沟道电流对负载电容充电， 直至 Uo=Ui。
测量门的延时可以用环型振荡器电路（一般至少五级反相器）实际 电路的最高工作频率比环振测得的低50-100倍
延时的定义
环型振荡器
（7）逻辑门的功耗
瞬时功耗: p(t) =v(t)i(t) =Vsupplyi(t) 峰值功耗: Ppeak =Vsupplyipeak
1 平均功耗: P ave T
Uo /(UG －UTH) UG Ui Uo CL Ui 0 1 UG 0 1 1
Uo 0 (理 想 0 ) 1 (非 理 想 1 )
1 0 1
UG －UTH
Ui / (UG －UTH) (c)
(a )
(b )
(a) 电路； (b) 等效开关； (c) 传输特性
(1) 当UG=“0”(接地)时， NMOS管截止(开关断开)， 输出Uo=0。
Ecap
Pcap(t )dt
0
Vouticap(t )dt
0
T
Vdd
0
CLVoutdVout
1 2 CL Vdd 2
MOS开关及CMOS传输门
单管MOS开关 NMOS单管开关 NMOS单管开关电路如图所示， CL为负载电容， UG为栅电压， 设“1”表示UG=UDD， “0”表示UG=0(接地)。
Uo=UG-UTH=Ui-UTH=UDD-UTH
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。 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” 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
传播延时与功耗的关系：功耗延时积、能量延时积
一阶RC电路的延时
tp =ln (2) τ =0.69 RC 这一模型可以用来模拟反相器延时
一阶RC电路的能耗
E0 1
T
P (t )dt Vdd isupply(t )dt Vdd
0 0
T
T
Vdd
2 C LdVout CL Vdd 0
(2) 当UG=“0”(接地， 低电平)时， PMOS管导通， 视Ui的大小不同，
② Ui=“0”(低电平)时， 输入端沟道被夹断， 此时要维持沟道导通，
“阈值损失”， 即
Uo=|UTHP|
UG Ui UD D Uo
UG ＝“1” Ui 0 0 0 1 (b ) 1 0 Uo ＝0 (非理想0 ) 实际比零高 UTHP | | (理想 1 )
(a )
(a) 电路； (b) 等效开关
当开关控制电压(UG)使MOS管导通时， NMOS、 PMOS传输信号均 存在阈值损失， 只不过NMOS发生在传输高电平时， 而PMOS发生 在传输低电平时。 下图给出了阈值损失的波形示意图。
UG Ui NMOS Uo PMOS Uo 0 UDD 0 (UDD－UTH ) UDD 0 |UTHP | (UDD－UTH ) UDD UDD
功率延时积
t
tT
V supply tT p(t)dt i supply (t)dt t T
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
能量延时积 能量延时积（EDP） =门的品质（度量）因子= E×tp
功（热）耗对设计的要求： 功耗影响设计：封装、冷却、电源线尺寸、电源容量、集 成度 功耗影响电路的可行性、成本、可靠性。 峰值功耗（确定电源线尺寸）、平均功耗（确定冷却、对 电池要求） 动态功耗（翻转功耗）、静态功耗（漏电功耗）