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1、专用集成电路设计授课教师:张立文电子信息工程学院河南科技大学2009-10-14第四章数字集成电路设计基础4.1MOS开关及CMOS传输门4.2CMOS反相器8/12/202124.1MOS开关及CMOS传输门4.1.1单管MOS开关1.NMOS单管开关NMOS单管开关电路如图4-1(a)所示,图中CL为负载电容,UG为栅电压,设“1”表示UG=UDD,“0”表示UG=0(接地)。图4-1NMOS单管开关:(a)电路8/12/20213(1)、当UG=“0”(接地)时,NMOS管截止(开关断开),输出Uo=0。(2)、
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:UiUG-UTH,输入端沟道被夹断。若Uo初始值小于(UG-UTH),则输出端沟道存在,NMOS管导通,沟道电流对CL充电,Uo上升。但随着Uo上升,沟道电流逐渐减小,
3、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:Uo=UG-UTH=Ui-UTH=UDD-UTH,此时传输信号存在阈值损失,非理想开关。图4-1NMOS单管开关:(a)电路;(b)等效开关;(c)传输特性8/12/20215PMOS单管开关电路如图4-2(a)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。(2)当UG=“0”(接地,低电平)时,PMOS
4、管导通,视Ui的大小不同,也分两种情况:①Ui=“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”。2.PMOS单管开关图4-2PMOS单管开关:(a)电路;(b)等效开关8/12/20216②Ui=“0”(低电平)时,输入端沟道被夹断,此时要维持沟道导通,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
5、UTHP
6、。因此,当传输输入为0的信号时,输出同样存在所谓的“阈值损失”,如图4-2(b)所示,即Uo=
7、UTHP
8、(4-2)图
9、4-2PMOS单管开关:(a)电路;(b)等效开关8/12/20217结论是: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。图4-3给出了阈值损失的波形示意图。图4-3阈值损失波形示意图8/12/20218图4-4传输门电路及栅极控制电压波形1.CMOS传输门电路CMOS传输门电路如图4-4所示,NMOS管和PMOS管的源极、漏极接在一起,NMOS衬底接地,PMOS衬底接UDD(保证了沟道与衬底之间有反偏的PN结隔离),二
10、者的栅极控制电压反相,即UGP=。4.1.2CMOS传输门PMOSNMOS8/12/20219CMOS传输门的直流传输不存在阈值损失问题,其理由说明如下:(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(0V),UTHN=
11、UTHP
12、=0.9V):2.CMOS传输门的直流传输特性8/12/202110①Ui较小,有:UGN-Ui>UTHNN管导通
13、UGP-Ui
14、<
15、
16、UTHP
17、P管截止此时,N管接近理想开关,N管沟道电流向CL充电,使Uo=Ui。N管导通区②Ui升高,有:UGN-Ui>UTHNN管导通
18、UGP-Ui
19、>
20、UTHP
21、P管导通双管导通区此时,N管、P管共同向CL充电,仍使Uo=Ui。Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段:8/12/202111③Ui再升高,接近“1”时,有UGN-Ui22、UGP-Ui23、>24、UTHP25、P管导通P管导通区CMOS传输门直流传输特性如下图4-58/12/2021123.CMOS传输门的设计1、为保证导电沟道与衬底的隔26、离(PN结反偏),N管的衬底必须接地,P管的衬底必须接电源(UDD)。2、沟道电流ID与管子的宽长比(W/L)成正比,为使传输速度快,要求ID大些,沟道长度L取决于硅栅多晶硅条的宽度,视工艺而定。X′AZX传输门符号:8/12/2021131、传输门组成的2选1电路数据选择器xz0A1BX是时钟信号,A、B是输入,Z
22、UGP-Ui
23、>
24、UTHP
25、P管导通P管导通区CMOS传输门直流传输特性如下图4-58/12/2021123.CMOS传输门的设计1、为保证导电沟道与衬底的隔
26、离(PN结反偏),N管的衬底必须接地,P管的衬底必须接电源(UDD)。2、沟道电流ID与管子的宽长比(W/L)成正比,为使传输速度快,要求ID大些,沟道长度L取决于硅栅多晶硅条的宽度,视工艺而定。X′AZX传输门符号:8/12/2021131、传输门组成的2选1电路数据选择器xz0A1BX是时钟信号,A、B是输入,Z
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