第5章、集成电路基本单元(1)
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这种电路是不加电源电压的；
电路正常工作所需的能量全由输入端提供。
当MOS管导通时，输入电压就对CL充电，在CL上建立输 出电压，其能量由输入端提供。或者 CL 对输入端放电， 把能量还给输入端。因而，输出电压总是小于或等于输 入电压。所以，规定输入端为D，输出端为S。 当NMOS传输门用作开关以传输逻辑信号时，传输“0”逻 辑将是理想的。传输“1”逻辑则不理想，因为电平是蜕 化的：尽管输入Vi = Vdd，输出却为Vo = VddVTn。 传输门不仅仅是一只开关，而且还有记忆能力。
16
CMOS反相器转移特性(1)
CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流
A B D E
Vdd
VO
C
I dsn
0
Vtn
Vdd 2
Vdd Vtp Vdd
Vi
17
CMOS反相器的转移特性(2)
A区：0 Vi Vtn NMOS截止，Idsn = 0，PMOS导通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0 B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS饱和导通，等效为电流源；PMOS等效为非线性电阻。在Idsn 的驱动下，Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。 C区： Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区；PMOS也导通， 处于饱和区；均等效于一 个电流源。 D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反，PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源；NMOS 强导通，等效于非线性电阻 E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，NMOS导通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，与A区相反
tf1
n Vdd Vtn
2CL
2
Vdd Vtn
0.9Vdd
dVo
2CL 0.1Vdd Vtn
n Vdd Vtn
2
dVo 1 2 非饱和状态 n Vds Vtn Vds Vds CL 2 dt
tf 2 CL
早期的 PMOS 电路采用负电源，负逻辑，上述各点 都正确。然而， PMOS 逻辑电路已经淘汰。目前， PMOS 管仅用于 CMOS 电路。它采用正电源，正逻 辑。于是，衬底接Vdd。 PMOS传输门的工作原理同NMOS传输门完全一样. PMOS传输门用作开关传输逻辑信号时
传输“1”逻辑， 将是理想的。 传输“0”逻辑， 不是理想的。因为电平是 蜕化的， 即Vi=0， Vomin=Vtp. PMOS放电放不到底！
PMOS的衬底接最高电位—— Vdd
NMOS的源极接地，漏极接高电 位 PMOS的源极接Vdd，漏极接低 电位 输入信号Vi加在两管g和s之间，由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vdd，所以Vi对两管参考电位不同。
14
CMOS反相器工作原理
Vin为低电平VOL（VOL<Vtn）时， NMOS截止，PMOS导通，输出高电平 Vo = VOH Vin为高电平VOH（VOH>VDD+Vtp） 时， NMOS导通，PMOS截止 Vo = VOL
21
CMOS反相器的瞬态特性(续1)
Vi从0到1 CL放电
NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱
和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计
算。
22
CMOS反相器的瞬态特性(续2)
饱和状态
假定VC(0)=Vdd，恒流放电时间段
dV 1 2 n Vdd Vtn CL o 2 dt
Vss
Vss
27
27
并联反相器版图
（a）直接并联 （b）共用漏区 （c）星状连接
Vdd Vdd Vdd
输入
输出 输入
输出 输入
输出
Vss
Vss
Vss
28
传输门
传输门不仅是MOS集成电路中的一种基本电 路，而且还是一种基元，因为其它基本电路，如 反相器，实际上也是由传输门组成的。有单沟道 MOS传输门（NMOS传输门和PMOS传输门）及 CMOS传输门。
反相输出单元 同相输出单元 三态输出单元
漏极开路输出单元
41
焊盘输入单元
一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单 元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结 构主要是输入保护电路。 为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供“泄 放通路”，这就是输入保护电路。输入保护分 为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构 。
33
CMOS传输门
将NMOS传输门和PMOS传输门的优缺点加以 互补， 得到特性优良的CMOS传输门
V g
P-gate
Vi d Vdd s Vo CL V g
C
C
N-gate
传输门逻辑符号
34
CMOS传输门（续）
=0， NMOS和PMOS都不导通， VO(t)= VO(t-Tp)， 不传输信号 =1， NMOS和PMOS导通， 有两条通路
瞬态特性：输入电压在高低电平之间转换时输 出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速 度 电路功耗：静态功耗和动态功耗
7
TTL基本单元电路与非门改进电路
四管与非门及逻辑符号
三管与非门
8
TTL基本单元电路与非门
五管与非门及多射极晶体管等效电路
9
TTL基本单元电路与非门
10
TTL基本单元电路反相器
反相器又称非门
11
TTL基本门逻辑扩展
缓冲器/与门/或非门/或门/异或门/异或非门/与或非门/或 与非门
OC门
三态门 施密特逻辑门 触发器
12
CMOS数字集成电路
CMOS反相器
CMOS传输门
CMOS存储器
13
CMOS反相器
NMOS和PMOS的衬底分开 NMOS的衬底接最低电位——地
VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)
当输入端有至少一端为低电平时，T1工作在
深饱和状态，T2工作在截止状态，电路 截止，输出低电平VOH：
VOH=VCC-R2*IOH
6
电路特性
电压传输特性：电路的输出电压与输入电压的 关系 负载能力：电路在正常工作条件下可以驱动多 少个同类门，常用扇出No表示
若I=0，
则NMOS通路更有效 CL可以放电放 则PMOS通路更有效 CL可以充电充
到0
若I=1，
到1
这样，输出电平要么是0，要么是1(Vdd)，没 有电平蜕化，可理想地实现信号传送。
35
CMOS基本逻辑电路
与非门和或非门电路： （a）二输入与非门（b）二输入或非门
VDD
S G M1 D G M2 D OUT IN A G M3 INB G M4 S D S D CL IN A INB G M3 D S G M4 D S S G M1 G D S OUT CL
VDD
S
M2 D
36
CMOS与非门的版图
（a）按电路图转换 （b）MOS管水平走向设计
Vdd Vdd
B A
B A
Vss
Vss
37
或非门版图
（a）输入向右引线
Vdd
（b）输入向上引线
Vdd
B来自百度文库
A
Vss
Vss
38
CMOS存储器
39
存储单元的等效电路
40
焊盘输入输出单元
输入单元:主要承担对内部电路的保护 输出单元
集成电路设计
上一章 集成电路模拟
SPICE简介 SPICE电路输入语句 SPICE电路分析语句 SPICE电路控制语句
第五章 集成电路基本单元
1 2 3 4
双极型数字集成电路 CMOS数字集成电路 焊盘输入输出单元(I/O PAD) 模拟集成电路
3
双极型数字集成电路
TTL(transistor-transistor logic)
Vo<|Vtp|
24
CMOS反相器的瞬态特性(续4)
饱和状态时
2CL
假定VC(0)=0, 恒流充电时间段有
1 p Vdd Vtp 2
2
CL
tr1
p Vdd Vtp
2
Vtp
0.1Vdd
dVo
2CL Vtp 0.1Vdd
p dd
V
dVo dt
Vtp
（a）垂直走向MOS管结构；（b）水平走向MOS管结构； （c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构； （d）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构； （e）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构。
Vdd Vdd
Vdd Vdd Vdd
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
Vss
Vss
Vss
29
NMOS传输门
NMOS传输门只含有一个MOS管，栅极 加控制电压V，衬底接地。MOS管的漏 极D与源极S分别接输入与输出。输出负 载是一个电容CL，它是后级的输入电容 。
30
NMOS传输门(续)
MOS管的结构是对称的。 D和S在结构上没有任何差别。 通常，规定输入端为D，输出端为S。因为:
tr tr1 tr 2
25
CMOS反相器的功耗特性
静态功耗Ps：Ps=ID0*VDD
动态功耗Pd
充放电功耗Pc：Pc=f*CL*VDD2 瞬态功耗Pt：Pt≈1/2*f*VDD*Itmax(tr+tf)
∝f*CL
总功耗Pa=Ps+Pd=Ps+Pc+Pt
26
各种形式的反相器版图
42
焊盘输入单元例
单二极管、电阻电路 双二极管、电阻保护电路
43
焊盘输出单元
反相输出I/O PAD 反相输出就是内部信号经反相后输出。反相器 除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提 供一定的驱动能力。后图是一种p阱硅栅 CMOS结构的反相输出单元，由版图可见构造 反相器的NMOS管和PMOS管的尺寸比较大， 因此具有较大的驱动能力。
18
CMOS反相器转移特性(3)
n/p对转移特性的影响
19
CMOS反相器转移特性(4)
PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性
A
PMOS on+++
B
on++
C
on+
D
on
E
off
NMOS
off
on
on+
on++
on+++
对于数字信号，CMOS反相器静态时，工作在A区 或E区 Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd Vo = 0 ( O = 1 ) Is-s= 0 Vi = Vdd (I = 1) ( O = 0 ) Pdc= 0
n
0.1Vdd
dVo
Vdd Vtn
Vdd Vtn Vo
1 2 Vo 2
tf = tf1 + tf2
23
19Vdd 20Vtn CL ln n Vdd Vtn Vdd
CMOS反相器的瞬态特性(续3)
Vi从1到0，CL充电 上拉管 PMOS 导通时先为饱和状态而后为 非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两 段来计算。
31
PMOS传输门
1）PMOS管的门限电压VTp是负的，只有当Vgs VTp，即负得足够时才会导通。 2) 在PMOS电路中，通常是加负电源电压Vdd， 而正端接地。 3) 衬底接最高电位，即地。 I = input
O = output
= phase(control)
32
PMOS传输门(续)
2
非饱和状态时
p Vdd Vtp
Vdd Vo
dVo 1 2 V V C dd o L 2 dt
dVo CL 0.9Vdd tr 2 p Vtp V V V V 1 V V 2 dd o dd tp dd o 2 19Vdd 20 Vtp CL ln Vdd p Vdd Vtp
15
CMOS反相器工作原理
NMOS：
Vi < Vtn 截止 Vi > Vtn 导通 V > Vdd - |Vtp| 截止 PMOS： i Vi < Vdd - |Vtp| 导通
PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一 样，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上
整个工作区分 为五个区域
ABC D E
状态转换时：(I = 0) (I = 1) I 0 s-s (I =1) (I = 0) Ptr 0
20
CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的输 入电容）的影响。 脉冲信号参数定义
上升时间tr
Vo=10%VomaxVo=90%Vomax
下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Vomax 延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax
TTL与非门 TTL反相器
ECL(emitter coupled logic)
I2L(integrated injection logic)
4
TTL基本单元电路与非门
(a)单管与非门
(b)两管与非门
5
TTL与非门工作原理
当输入端都为高电平时，T1工作在反向 有源状态，T2工作在饱和状态，电路导 通，输出低电平VOL：
电路正常工作所需的能量全由输入端提供。
当MOS管导通时，输入电压就对CL充电，在CL上建立输 出电压，其能量由输入端提供。或者 CL 对输入端放电， 把能量还给输入端。因而，输出电压总是小于或等于输 入电压。所以，规定输入端为D，输出端为S。 当NMOS传输门用作开关以传输逻辑信号时，传输“0”逻 辑将是理想的。传输“1”逻辑则不理想，因为电平是蜕 化的：尽管输入Vi = Vdd，输出却为Vo = VddVTn。 传输门不仅仅是一只开关，而且还有记忆能力。
16
CMOS反相器转移特性(1)
CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流
A B D E
Vdd
VO
C
I dsn
0
Vtn
Vdd 2
Vdd Vtp Vdd
Vi
17
CMOS反相器的转移特性(2)
A区：0 Vi Vtn NMOS截止，Idsn = 0，PMOS导通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0 B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS饱和导通，等效为电流源；PMOS等效为非线性电阻。在Idsn 的驱动下，Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。 C区： Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区；PMOS也导通， 处于饱和区；均等效于一 个电流源。 D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反，PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源；NMOS 强导通，等效于非线性电阻 E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，NMOS导通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，与A区相反
tf1
n Vdd Vtn
2CL
2
Vdd Vtn
0.9Vdd
dVo
2CL 0.1Vdd Vtn
n Vdd Vtn
2
dVo 1 2 非饱和状态 n Vds Vtn Vds Vds CL 2 dt
tf 2 CL
早期的 PMOS 电路采用负电源，负逻辑，上述各点 都正确。然而， PMOS 逻辑电路已经淘汰。目前， PMOS 管仅用于 CMOS 电路。它采用正电源，正逻 辑。于是，衬底接Vdd。 PMOS传输门的工作原理同NMOS传输门完全一样. PMOS传输门用作开关传输逻辑信号时
传输“1”逻辑， 将是理想的。 传输“0”逻辑， 不是理想的。因为电平是 蜕化的， 即Vi=0， Vomin=Vtp. PMOS放电放不到底！
PMOS的衬底接最高电位—— Vdd
NMOS的源极接地，漏极接高电 位 PMOS的源极接Vdd，漏极接低 电位 输入信号Vi加在两管g和s之间，由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vdd，所以Vi对两管参考电位不同。
14
CMOS反相器工作原理
Vin为低电平VOL（VOL<Vtn）时， NMOS截止，PMOS导通，输出高电平 Vo = VOH Vin为高电平VOH（VOH>VDD+Vtp） 时， NMOS导通，PMOS截止 Vo = VOL
21
CMOS反相器的瞬态特性(续1)
Vi从0到1 CL放电
NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱
和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计
算。
22
CMOS反相器的瞬态特性(续2)
饱和状态
假定VC(0)=Vdd，恒流放电时间段
dV 1 2 n Vdd Vtn CL o 2 dt
Vss
Vss
27
27
并联反相器版图
（a）直接并联 （b）共用漏区 （c）星状连接
Vdd Vdd Vdd
输入
输出 输入
输出 输入
输出
Vss
Vss
Vss
28
传输门
传输门不仅是MOS集成电路中的一种基本电 路，而且还是一种基元，因为其它基本电路，如 反相器，实际上也是由传输门组成的。有单沟道 MOS传输门（NMOS传输门和PMOS传输门）及 CMOS传输门。
反相输出单元 同相输出单元 三态输出单元
漏极开路输出单元
41
焊盘输入单元
一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单 元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结 构主要是输入保护电路。 为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供“泄 放通路”，这就是输入保护电路。输入保护分 为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构 。
33
CMOS传输门
将NMOS传输门和PMOS传输门的优缺点加以 互补， 得到特性优良的CMOS传输门
V g
P-gate
Vi d Vdd s Vo CL V g
C
C
N-gate
传输门逻辑符号
34
CMOS传输门（续）
=0， NMOS和PMOS都不导通， VO(t)= VO(t-Tp)， 不传输信号 =1， NMOS和PMOS导通， 有两条通路
瞬态特性：输入电压在高低电平之间转换时输 出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速 度 电路功耗：静态功耗和动态功耗
7
TTL基本单元电路与非门改进电路
四管与非门及逻辑符号
三管与非门
8
TTL基本单元电路与非门
五管与非门及多射极晶体管等效电路
9
TTL基本单元电路与非门
10
TTL基本单元电路反相器
反相器又称非门
11
TTL基本门逻辑扩展
缓冲器/与门/或非门/或门/异或门/异或非门/与或非门/或 与非门
OC门
三态门 施密特逻辑门 触发器
12
CMOS数字集成电路
CMOS反相器
CMOS传输门
CMOS存储器
13
CMOS反相器
NMOS和PMOS的衬底分开 NMOS的衬底接最低电位——地
VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)
当输入端有至少一端为低电平时，T1工作在
深饱和状态，T2工作在截止状态，电路 截止，输出低电平VOH：
VOH=VCC-R2*IOH
6
电路特性
电压传输特性：电路的输出电压与输入电压的 关系 负载能力：电路在正常工作条件下可以驱动多 少个同类门，常用扇出No表示
若I=0，
则NMOS通路更有效 CL可以放电放 则PMOS通路更有效 CL可以充电充
到0
若I=1，
到1
这样，输出电平要么是0，要么是1(Vdd)，没 有电平蜕化，可理想地实现信号传送。
35
CMOS基本逻辑电路
与非门和或非门电路： （a）二输入与非门（b）二输入或非门
VDD
S G M1 D G M2 D OUT IN A G M3 INB G M4 S D S D CL IN A INB G M3 D S G M4 D S S G M1 G D S OUT CL
VDD
S
M2 D
36
CMOS与非门的版图
（a）按电路图转换 （b）MOS管水平走向设计
Vdd Vdd
B A
B A
Vss
Vss
37
或非门版图
（a）输入向右引线
Vdd
（b）输入向上引线
Vdd
B来自百度文库
A
Vss
Vss
38
CMOS存储器
39
存储单元的等效电路
40
焊盘输入输出单元
输入单元:主要承担对内部电路的保护 输出单元
集成电路设计
上一章 集成电路模拟
SPICE简介 SPICE电路输入语句 SPICE电路分析语句 SPICE电路控制语句
第五章 集成电路基本单元
1 2 3 4
双极型数字集成电路 CMOS数字集成电路 焊盘输入输出单元(I/O PAD) 模拟集成电路
3
双极型数字集成电路
TTL(transistor-transistor logic)
Vo<|Vtp|
24
CMOS反相器的瞬态特性(续4)
饱和状态时
2CL
假定VC(0)=0, 恒流充电时间段有
1 p Vdd Vtp 2
2
CL
tr1
p Vdd Vtp
2
Vtp
0.1Vdd
dVo
2CL Vtp 0.1Vdd
p dd
V
dVo dt
Vtp
（a）垂直走向MOS管结构；（b）水平走向MOS管结构； （c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构； （d）金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构； （e）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构。
Vdd Vdd
Vdd Vdd Vdd
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
Vss
Vss
Vss
29
NMOS传输门
NMOS传输门只含有一个MOS管，栅极 加控制电压V，衬底接地。MOS管的漏 极D与源极S分别接输入与输出。输出负 载是一个电容CL，它是后级的输入电容 。
30
NMOS传输门(续)
MOS管的结构是对称的。 D和S在结构上没有任何差别。 通常，规定输入端为D，输出端为S。因为:
tr tr1 tr 2
25
CMOS反相器的功耗特性
静态功耗Ps：Ps=ID0*VDD
动态功耗Pd
充放电功耗Pc：Pc=f*CL*VDD2 瞬态功耗Pt：Pt≈1/2*f*VDD*Itmax(tr+tf)
∝f*CL
总功耗Pa=Ps+Pd=Ps+Pc+Pt
26
各种形式的反相器版图
42
焊盘输入单元例
单二极管、电阻电路 双二极管、电阻保护电路
43
焊盘输出单元
反相输出I/O PAD 反相输出就是内部信号经反相后输出。反相器 除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提 供一定的驱动能力。后图是一种p阱硅栅 CMOS结构的反相输出单元，由版图可见构造 反相器的NMOS管和PMOS管的尺寸比较大， 因此具有较大的驱动能力。
18
CMOS反相器转移特性(3)
n/p对转移特性的影响
19
CMOS反相器转移特性(4)
PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性
A
PMOS on+++
B
on++
C
on+
D
on
E
off
NMOS
off
on
on+
on++
on+++
对于数字信号，CMOS反相器静态时，工作在A区 或E区 Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd Vo = 0 ( O = 1 ) Is-s= 0 Vi = Vdd (I = 1) ( O = 0 ) Pdc= 0
n
0.1Vdd
dVo
Vdd Vtn
Vdd Vtn Vo
1 2 Vo 2
tf = tf1 + tf2
23
19Vdd 20Vtn CL ln n Vdd Vtn Vdd
CMOS反相器的瞬态特性(续3)
Vi从1到0，CL充电 上拉管 PMOS 导通时先为饱和状态而后为 非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两 段来计算。
31
PMOS传输门
1）PMOS管的门限电压VTp是负的，只有当Vgs VTp，即负得足够时才会导通。 2) 在PMOS电路中，通常是加负电源电压Vdd， 而正端接地。 3) 衬底接最高电位，即地。 I = input
O = output
= phase(control)
32
PMOS传输门(续)
2
非饱和状态时
p Vdd Vtp
Vdd Vo
dVo 1 2 V V C dd o L 2 dt
dVo CL 0.9Vdd tr 2 p Vtp V V V V 1 V V 2 dd o dd tp dd o 2 19Vdd 20 Vtp CL ln Vdd p Vdd Vtp
15
CMOS反相器工作原理
NMOS：
Vi < Vtn 截止 Vi > Vtn 导通 V > Vdd - |Vtp| 截止 PMOS： i Vi < Vdd - |Vtp| 导通
PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一 样，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上
整个工作区分 为五个区域
ABC D E
状态转换时：(I = 0) (I = 1) I 0 s-s (I =1) (I = 0) Ptr 0
20
CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的输 入电容）的影响。 脉冲信号参数定义
上升时间tr
Vo=10%VomaxVo=90%Vomax
下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Vomax 延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax
TTL与非门 TTL反相器
ECL(emitter coupled logic)
I2L(integrated injection logic)
4
TTL基本单元电路与非门
(a)单管与非门
(b)两管与非门
5
TTL与非门工作原理
当输入端都为高电平时，T1工作在反向 有源状态，T2工作在饱和状态，电路导 通，输出低电平VOL：