数字集成电路基本单元课件.ppt
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- 数字集成电路 基本 单元 课件
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1、2022/8/121第九章第九章 数字集成电路基本单元与版图数字集成电路基本单元与版图9.1 TTL基本电路 9.2 CMOS基本门电路及版图实现9.3 数字电路标准单元库设计 9.4 焊盘输入输出单元 9.5 了解CMOS存储器 2022/8/1229.1 TTL基本电路基本电路 图9.1 TTL反相器的基本电路 2022/8/123图9.3 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2022/8/124图9.4 TTL或非门 (a)电路图 (b)符号 2022/8/1259.2 CMOS反相器反相器1.电路图电路图标准的CMOS反相器电路如图所示。注意1:n NMOS
2、和PMOS的衬底是分开的,n NMOS的衬底接最低电位地,n PMOS的衬底接最高电位Vdd。2022/8/126注意2:n NMOS的源极接地,漏极接高电位;n 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。2022/8/1272.转移特性转移特性 在分析CMOS反相器的特性时,注意如下事实:l 在电路中,PMOS和NMOS地位对等,功能互补l 它们都是驱动管,都是有源开关,部分的互为负载:l 它们都是增强型 MOSFETl 对于NMOS有l 对于PMOS有l 对
3、输入和输出信号而言,PMOS和NMOS是并联的Vi Vtn 导通Vi Vdd-|Vtp|截止Vi 0,Pdc 0。2022/8/12213.CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性 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%VomaxVo=90%Vomax)tf:(Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)td:(Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)2022/8/1222i)Vi从从1到到0,CL充电充电。在此过程中,NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为:Vds
4、n:0Vdd|Vdsp|:Vdd0,即 123原点CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1223 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反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1224a、饱和状态时、饱和状态时 假定VC(0)=0,恒流充电时间段有 积分得 ,dtdVCVV21oL2tpddptpddVV1.02tpddpddtpLo2tpddpL1rVVV1.0VC2dVVVC2tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1225b、非饱和状态时非饱和状态时 线性充电时间段有,积分得,经变量代换,部分分式
5、展开,可得,总的充电时间为,tr=tr1+tr2 如果Vtp=-0.2 Vdd,则 dtdVCVV21VVVVoL2oddoddtpddpddtpV9.0V2oddoddtpddopL2rVV21VVVVdVCtddtpddtpddpL2rVV20V19lnVVCttpddpLrVV1C3tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1226ii)Vi从从0到到1,CL放电放电 NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱和状态,故与上面类似,输出脉冲的下降时间也可分为两段来计算。如图所示。CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1227a、饱和状态 假定VC(0)=V
6、dd,恒流放电时间段有,积分得,dtdVCVV21oL2tnddntnddddVVV9.02tnddntnddLo2tnddnL1fVVVV1.0C2dVVVC2tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1228b、非饱和状态、非饱和状态 线性放电时间段有,dtdVCV21VVVoL2dsdstndsnddtnddV1.0VV2ootnddonL2fV21VVVdVCtddtnddtnddnLVV20V19lnVVCCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1229总的放电时间为 tf=tf1+tf2 如果Vtn=0.2 Vdd,则 如果Vtn=|Vtp|,n=p,则
7、 tr=tf CMOS的输出波形将是对称的。tnddnLfVV1C3tCMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2022/8/1230反相器电路图到符号电路版图的转换(a)电路图,(b)漏极连线,(c)电源与地线连线,(d)栅极与输入输出连线2022/8/1231图9.20 各种形式的反相器版图(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2022/8/1232 并联反相器版图(a)直接并联,(b)共用漏区,(c)星状连接 2022/8/1233C
8、MOS与非门和或非门 n 与非门和或非门电路:(a)二输入与非门,(b)二输入或非门 2022/8/1234与非门的版图 n(a)按电路图转换,(b)MOS管水平走向设计 2022/8/1235或非门版图(a)输入向右引线,(b)输入向上引线 2022/8/1236CMOS传输门和开关逻辑 工作原理工作原理 传输门:(a)电路(b)符号;开关逻辑与或门 2022/8/1237工作原理工作原理(续)(a)“异或”和(b)“异或非”门电路 2022/8/1238工作原理工作原理(续)不同功能的线或电路:(a)电路图,(b)逻辑图 2022/8/1239CMOS传输门版图实现 2022/8/1240
9、三态门:(a)常规逻辑门结构,(b)带传输门结构 三态门 2022/8/1241三态门版图 2022/8/1242驱动电路 n 驱动电路的结构示意图 2022/8/1243驱动电路版图 2022/8/12449.3 数字电路标准单元库设计 n 基本原理 n 标准单元设计流程图 2022/8/1245库单元设计 标准单元库中的单元电路是多样化的,通常包含上百种单元电路,每种单元的描述内容都包括:(1)逻辑功能;(2)电路结构与电学参数;(3)版图与对外连接端口的位置;对于标准单元设计EDA系统而言,标准单元库应包含以下三个方面的内容:(1)逻辑单元符号库与功能单元库;(2)拓扑单元库;(3)版图
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