数字集成电路基本单元与版图

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1、五数字集成电路基本单元与版图7.1TTL基本电路7.2CMOS基本门电路及版图实现7.3CMOS触发器设计7.4数字电路标准单元库设计7.5焊盘输入输出单元7.6了解CMOS存储器17.1TTL基本电路图7.1TTL反相器的基本电路2图7.3具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路：（a）电路图，（b）符号3图7.4TTL或非门(a)电路图(b)符号47.2CMOS反相器[1].电路图标准的CMOS反相器电路如图所示。注意1：NMOS和PMOS的衬底是分开的，NMOS的衬底接最低电位地，PMOS的衬底接最高电位Vdd。5另外一种符号表示6注意2：NMOS的源极接

2、地，漏极接高电位；PMOS的源极接Vdd，漏极接低电位。注意3：输入信号Vi对两管来说，都是加在g和s之间，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接Vdd，所以Vi对两管来说参考电位是不同的。7[2].转移特性在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载：它们都是增强型MOSFET对于NMOS有对于PMOS有对输入和输出信号而言，PMOS和NMOS是并联的ViVtn导通Vi>Vdd-

3、Vtp

4、截止Vi

5、Vtp

6、导通8[2].转移特性（续）在直流电路

7、上，PMOS和NMOS串联连接在Vdd和地之间，因而有Idsn从NMOS的d流向s，是正值,Idsp从PMOS的d流向s，是负值。Vdsn-Vdsp=Vdd9[2].转移特性（续）把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。如图所示10转移特性（续）整个工作区可以分为五个区域来讨论：1.A区：0ViVtnNMOS截止Idsn=0PMOS导通Vdsn=VddVdsp=0等效电路如右图所示。11转移特性（续）2.B区：VtnVi½VddNMOS导通，处于饱和区，等效于一个电流源：称之为NMOS平方率跨导因子。PM

8、OS等效于非线性电阻：称之为PMOS平方率跨导因子。在Idsn的驱动下，Vdsn自Vdd下降,

9、Vdsp

10、自0V开始上升。等效电路如图所示。12转移特性（续）3.C区：Vi½VddNMOS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，等效电路如右图所示。此时有，13转移特性（续）两个电流必须相等，即Idsn=Isdp，所以如果n=p，且有Vtn=-Vtp，则有Vi=Vdd/2但是，n(2-3)p，所以应有Wp/Lp2.5Wn/Ln由n=p，Vtn=-Vtp和Vi=Vdd/2，应有VO=Vdd/214转移特性（续）比(n/

11、p)对转移特性的影响，如下图所示。15转移特性（续）4.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：等效电路如图所示。16转移特性（续）5.E区：ViVdd+VtpPMOS截止，NMOS导通。Vdsn=0

12、Vdsp

13、=VddIdsp=0等效电路如图所示。17转移特性（续）综合上述讨论，CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流如图所示。18转移特性（续）PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性。19转移特性（续）对于数字信号，CMOS反相器静态时，或工作在A区，或工作在E区

14、。此时有：Vi=0(I=0)Vo=Vdd(O=1)Vi=Vdd(I=1)Vo=0(O=0)从一种状态转换到另一种状态时，有：(I=0)(I=1)(I=1)(I=0)Is-s0Ptr0Is-s=0Pdc=020转移特性（续）对于模拟信号，CMOS反相器必须工作在B区和D区之间，反相器支路始终有电流流通，所以Is-s>0，Pdc>0。21[3].CMOS反相器的瞬态特性研究瞬态特性与研究静态特性不同的地方在于必须考虑负载电容（下一级门的输入电容）的影响。脉冲电路上升，下降和延迟时间的定义，即如图所示。tr：(Vo=10%VomaxVo=90%Vomax)tf

15、：(Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)td：(Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)22i)Vi从1到0,CL充电。在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为：Vdsn：0Vdd

16、Vdsp

17、：Vdd0，即123原点CMOS反相器的瞬态特性23考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和状态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算。CMOS反相器的瞬态特性﹤24a、饱和状态时假定VC(0)=0,恒流充电时间段有积分得，CMOS反相器的瞬态特性25b、非饱和状态时线性充电时间段有，积分得，经变量代换，部分分式展开，可得，总的

18、充电时间为