第五章 MOS基本逻辑单元电路

KI KL
=
(W/L)I (W/L)L
有比电路
27
5.2.4自举负载NMOS反相器 1. 结构和自举原理(续)
VDD
自举过程：
Vi 变为VOL ,MI截止,Vo上升，
MB
VGL随Vo上升(电容自举)，
VGL ML
MB截止,ML逐渐由饱和进入
CB Vo 非饱和导通，上升速度加快。
自举结果：
Vi
MI
tr缩短，VOH可达到VDD。
18
思考题
1. 各种MOS反相器的结构有何不同？各 自的优缺点是什么？ 2.各种MOS反相器的输出高低电平是多少？ 分别受什么因素影响？ 3.什么叫有比电路？什么叫无比电路？ 4.各种MOS反相器的速度、功耗、噪声容 限分别受哪些因素影响？
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5.2.1 电阻负载NMOS反相器
1. 结构和工作原理
VDD MD
(1)VOH比可达到电源电压VDD (2)VOL与R有关，但是VTD是 关键的因素，近似于无比电路，
面积小。
Vi
Vo ME
(3)上升过程由于负载管由饱和
逐渐进入非饱和， tr缩短，速
度快。
33
5.2.6 CMOS反相器
1. 结构和工作原理 MP 为PMOS,VTP <0, MN 为NMOS,VTN >0
28
5.2.4自举负载NMOS反相器 2. 寄生电容与自举率
VDD
MB
VGL
ML
CO CB Vo
Vi
MI
由于寄生电容CO的存在：
VGL CO = VGSL CB
VGL = VGSL + Vo
自举率定义：
=
VGL Vo
=
1 1+Co/CB
应尽可能较小寄生电容Co， 使达到80%以上。
29
5.2.4自举负载NMOS反相器 3. 漏电与上拉
。
12
5.1.1 单沟传输门 2. PMOS传输门(续)
(2)由I向O传送“0”时(假设O初始为“1” )
G I “0”
O点电容通过饱和导通的 O PMOS管放电，当O点电位下降
到比G点电位高一个|VTp|时， PMOS管截止。即最终O点达到
的“0”比G点的“0”高一个|VTp| (有衬底偏值效应)。
9
5.1.1单沟传输门 1. NMOS传输门
G I
G为“0”电平时
NMOS管截止，不传送信号。
O
G为“1”电平时 NMOS开启，传送信号
(1)由I向O传送“0”时(假设O初始为“1”)
G I “0”
O点电容通过饱和导通的 O NMOS管放电，NMOS管逐渐
进入非饱和，放电加快，最
终O点达到与I点相同的“0”
有比电路
其中：R =
KI KL
=
(W/L)I (W/L)L
22
5.2.2 E/E饱和负载NMOS反相器
2.单元特点 Vo
VDD
(1)VOH比电源电压 VDD低一个阈值电
压Vt（有衬底偏
(KIR/减KL小)
ML 值效应）；
Vi
(2)VOL与R有关，Vo
Vi
Vo 为有比电路；
0
t
MI (3) ML和MI的宽长比分别影响tr和tf。
VDD MD
MD 为耗尽型器件， VTD <0， ME 为增强型器件， VTE >0，
Vi为VOL时，ME截止，MD非饱和
Vi
Vo ME
KD[2(0 -VTD)(VDD -VOH)(VDD -VOH) 2 ] = 0
VOH = VDD
31
5.2.5 E/D NMOS反相器 1. 结构和工作原理（续）
。
10
5.1.1 单沟传输门 1. NMOS传输门(续)
(2)由I向O传送“1”时(假设O初始为“0” )
G I “1”
O点电容通过饱和导通的 O NMOS管充电，当O点电位上
升到比G点电位低一个VTn时， NMOS管截止。即最终O点达 到的“1”比G点的“1”低一个 VTn (有衬底偏值效应)。
2)PMOS传输门能可靠地快速传送“1”电平， 传送“0”电平时较慢，且有阈值损失；
3)CMOS传输门能可靠地快速传送“1”电平和 “0”电平，但需要两种器件和两个控制信号
4)MOS传输门具有双向传输性能 5)MOS传输门属于无驱动衰减性传输
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§5-2静态MOS反相器
MOS反相器特性的分析是MOS基 本逻辑门电路分析的重要基础。
对于自身来说， W/L越大， 导通电阻越小，传输速度越快。
对于单沟传输门来说，传送 “1”和“0”的速度不同，而对于 CMOS传输门可以达到相同。
G
Vi
Vo
G
Vi
Vo
Gn
Vi
Vo
Gp
16
5.1.4 MOS传输门的特点
1)NMOS传输门能可靠地快速传送“0”电平， 传送“1”电平时较慢，且有阈值损失；
5
Figure 11.41 增强型输出特性曲线
6
Figure 11.43 耗尽型输出特性曲线
7
§5-1 MOS传输门
MOS传输门就是通过控制MOS管 的导通和截止来实现信号的传输控制。 结构简单，控制灵活，是组成MOS电 路的基本单元之一。
8
思考题
1. NMOS传输门、PMOS传输门、CMOS 传输门各自的优缺点是什么？ 2.传输门的传输速度与哪些因素有关？
K=K’
(
W L
)
K’=
Cox 2
Cox=
oxo tox
衬底偏置效应：VT VBS
=
2qsioNB Cox
沟道长度调制效应(短沟效应):
= L1
Xd VDS
2
11.3MOSFET 基本工作原理
11.3.1MOSFET结构 11.3.2电流电压关系概念
3
PMOSFET
ID
W pCox
2L
(VSG
(4)上升过程由于负载管逐渐接近截
止，tr较大。
23
5.2.3 E/E非饱和负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理
VGG VDD
VGG > D +VTL
ML Vi为VOL时，MI截止，ML非饱和
KL[2(VGG-VOH -VTL)(VDD -VOH)
Vi
Vo
MI
- (VDD -VOH) 2 ] = 0 VOH = VDD
1. 结构和工作原理
VDD
Vi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和
KL(VDD-VOH-VTL)2=0 VOH=VDDVTL
ML Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和 KL(VDD-VOL-VTL)2=
KI[2(VOH-VTI)VO-VO2]
Vi
Vo MI
VOL
(VDD VTL )2 2R(VOHVTI)
V*将随着o的变化而向相反方向变化 当V*为Vdd/2时，噪声容限为最大（Vdd/2）
37
5.2.6 CMOS反相器 4.瞬态特性
Vi
VDD
VDD
第五章 MOS基本逻辑单元电路
MOS集成电路具有集成度高、功 耗低的特点，是当今大规模集成电路 的主流产品，尤其是CMOS集成电路。
1
基本知识提示：
NMOS PMOS 增强型 耗尽型 四端器件
0
截止
NMOS: IDS=
K (VGS-VT)2 K [2(VGS-VT) VDS-VDS2]
饱和 非饱和
MI
小，但是VOL越大，
功耗越大。
(KI/KL) R增大
Vi
26
5.2.4自举负载NMOS反相器
1. 结构和自举原理
VDD
MB
VGL
ML
初始状态：
VI=VOH，Vo=VOL MB、ML饱和、MI非饱和
VGL=VDDVTB
CB Vo
Vi
MI
VOL
(VDD VTB VTL 2R(VOHVTI)
)2
其中： R =
36
5.2.6 CMOS反相器 3.噪声容限（续）
(2) 最大噪声容限
VO
VDD
NMOS和PMOS都饱和时有:
o增大
Vi
=
VDD+ VTP +VTN 1 + o
o
记作V*
其中：o =
KN KP
=
N(W/L)N P(W/L)P
0
Vi
V* VDD
VNML=V*-VOL=V* VNMH=VOH-V* =VDD-V*
13
5.1.2 CMOS传输门
IG O G
G I “0” G
G为“0”电平、G为“1”电平 时
G为平N“M1O”S电、平P时M、OSG管为都“截0”止电。 NMOS、 PMOS管都开启。
(1)由I向O传送“0”(O初始为“1” )
O点电容通过饱和导通的NMOS
管和PMOS管放电，NMOS管逐 O 渐进入非饱和，PMOS管逐渐截
Vi为低电平VOL时，MI截止
VDD
(VDD–VOH)/RL=0 VOH=VDD
Vi为高电平VOH时，MI非饱和
RL Vo
(VDD–VOL ) /RL = KI [2(VOH -VTI)VOL-VOL2 ]
Vi MI
VOL
1+2KI
VDD RL(VOHVTI)
其中:KI=
oxo 2tox
(
W L
)
20
VDD
Vi为VOH时，ME非饱和，MD饱和
KD(0 -VTD)2 =
MD
Vi
Vo ME
KE[2(VOH -VTE)VOL-VOL2]
VOL
VTD 2 2R(VOHVTE)
其中：R =
KE KD
=
(W/L)E (W/L)L
有比电路（近似于无比电路）
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5.2.5 E/D NMOS反相器 2.单元特点
5.2.1 电阻负载NMOS反相器
2. 基本特性
Vi
VDD
VOL
1+2KI
VDD RL(VOHVTI)
0 VVDoD
t
VDD
RL若小：VOL高， 0 Vo
t
功耗大， tr小; RL Vo
VOH
RL减小
Vi
W/L若小(即KI
MN
小)：VOL高，功 耗小,，tf大。 VOL
0 VILVIH V21i
5.2.2 E/E饱和负载NMOS反相器
Vi
35
5.2.6 CMOS反相器
3.噪声容限
(1)指定噪声容限
VOVHmDDin VO
Slope=-1
VOHmin VOLmax
VDD
VNMHmax VNMLmax VSS
VOLmax
Vi
VIHmin
0 VILmax VIHmin
VILmax VNMmax=min{VNMHmax,
VNMLmax }
11
5.1.1 单沟传输门 2. PMOS传输门
G为“1”电平时
G
PMOS管截止，不传送信号。
I
O G为“0”电平时 PMOS开启，传送信号
(1)由I向O传送“1”时(假设O初始为“0”)
G
O点电容通过饱和导通的
I
O PMOS管充电，PMOS管逐渐
“1”
进入非饱和，充电加快，最
终O点达到与I点相同的“1”
24
5.2.3 E/E非饱和负载NMOS反相器
1. 结构和工作原理(续)
VGG VDD
Vi为VOH时，MI非饱和，ML非饱和 KL[2(VGG -VOL -VTL)(VDD -VOL)
- (VDD -VOL) 2 ] =
ML
KI [2(VOH -VTI)VOL-VOL2 ]
VOL
VDD 2 2mR(VOHVTI)
Vi
Vo MI
其中：R =
KI KL
=
(W/L)I (W/L)L
m
=
VDD 2(VGGVTL)VDD
0m <1
25
5.2.3 E/E非饱和负载NMOS反相器 2.单元特点
VGG VDD
(1)双电源
Vo
(2) VOH =VDD
ML
(3)VOL与R有关，
为有比电路；
Vi
Vo (4) VGG越高，tr越
VDD
MB MA
VGL
ML
CB
Vo
自举电路中的漏电，会
使自举电位VGL下降(尤其 是低频)，最低可降到： VGL=VDDVTB ， 因而ML 变为饱和导通，输出VOH 降低：VOH=VDDVTBVTL
Vi
MI
为了提高输出高电平，加 入上拉元件MA (或RA)。
30
5.2.5 E/D NMOS反相器 1. 结构和工作原理
VT
) 2 ......( 11 .64 )
ID
W pCox
2L
[2(VSG
VT
)VSD
V
2SD ]......( 11.63)
4
电流电压关系：
非饱和区：
I DS
wnCox
2L
[2(VGS
VT )VDS
VDS2 ].......1(1.40)
饱和区:
I DS
wnCox
2L
(VGS
VT
)2.......1( 1.41)
2.电压传输特性及器件工作状态表
输入电压范围
N管 P管
VDD
0Vi<VTN
截止 非饱和
VTNVi<VO+VTP
饱和 非饱和
MP
VO+VTPViVO+VTN 饱和 饱和 VO+VTN<ViVDD+VTP 非饱和 饱和
Vi
Vo VDD+VTP<Vi VDD 非饱和 截止
MN VDVDO
0
VTN
VDD+VTP VDD
VDD Vi为VOL时，MN截止，MP非饱和
-Kp [2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD )
MP
– (VOH-VDD ) 2] = 0
Vi
Vo
VOH = VDD
MN
Vi为VOH时，MN非饱和，MP截止 Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2] =0
VOL=0
无比电路
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5.2.6 CMOS反相器
止，最终O达到与I相同的“0”
。
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5.1.2 CMOS传输门(续)
G
I “1”
G
(2)由I向O传送“1”(O初始为 “0” )
O
O点电容通过饱和导通的
NMOS管和PMOS管充电，
PMOS管逐渐进入非饱和，
NMOS管逐渐截止，最终
O达到与I相同的“1” 。
15
5.1.3 MOS传输门的速度
MOS传输门的传输速度与节 点电容、前级驱动能力、和自身 MOS管的W/L有关。