chapter2数字部分集成电路cad设计.pptx
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1、集成电路集成电路CADCAD设计设计参考书目:1、半导体集成电路,朱正涌 编著。清华大学 出版社。2、数字集成电路电路-电路、系统与设计,美Jan M.Rabaey.周润德 译。电子工业出版社。集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统MOS基本逻辑单元电路 MOS集成电路具有集成度高、功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耗低的特点,是当今大规模集成电路的主流产品,尤其是的主流产品,尤其是CMOS集成电路。集成电路。集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统静态MOS反相器
2、 MOS反相器特性的分析是反相器特性的分析是MOS基基本逻辑门电路分析的重要基础。本逻辑门电路分析的重要基础。集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统1.结构和工作原理结构和工作原理ViVoVDDMPMNVi为为VOL时,时,MN截止,截止,MP非饱和非饱和-Kp 2(VOL-VDD-VTP)(VOH-VDD)(VOH-VDD)2=0VOH=VDD Vi为为VOH时,时,MN非饱和,非饱和,MP截止截止Kn2(VOH-VTN)VOL-VOL2=0VOL=0 无比电路无比电路MP 为为PMOS,VTP 0CMOS反相器集成电路集成电路CADCA
3、D设计设计耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号电路符号转移特性转移特性输出特性输出特性集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统2.电压传输特性及器件工作状态表电压传输特性及器件工作状态表ViVoVDDMPMN截止截止非饱和非饱和VDD+VTPVi VDD饱和饱和非饱和非饱和VO+VTNVi VDD+VTP饱和饱和饱和饱和VO+VTP Vi VO+VTN非饱和非饱和饱和饱和VTN ViVO+VTP非饱和非饱和截止截止0 ViVTNP管管N管管输入电压范围输入电压范围0VOViVDDVDDVDD+VTPVTN集成电路集成电路CADCAD设计设计黑
4、龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统3.噪声容限噪声容限 0VOViVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVOLmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax(1)指定噪声容限指定噪声容限VNMmax=minVNMHmax,VNMLmax 0011集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(2)最大噪声容限最大噪声容限VNMH=VOH-V*=VDD-V*VNML=V*-VOL=V*Vi=VDD+VTP+VTN o1+o当当V*为为 时,噪声容限为最大时,噪声容
5、限为最大()()其中:其中:o=KNKP=N(W/L)N P(W/L)PV*将随着将随着 o的变化而向相反方向变化的变化而向相反方向变化NMOS和和PMOS都饱和时有都饱和时有:记作记作V*V*VDD0VOViVDD o增大增大集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统 4.瞬态特性瞬态特性 VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD CL为负载电容,带负载门数为负载电容,带负载门数越多,越多,连线越长,连线越长,CL越大,延迟越大,延迟越大。越大。在cmos电路中,负载电容的充放电时间限了开关速度。集成电路集成电路CADCAD设计
6、设计 例:画出在开关期间nmos管工作点的移动轨迹。(阶跃电压Vi从0变化到VDD时,Vo和ID的关系曲线)VDDViMPMNCLVo集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(1)下降时间下降时间ViVoVDDMPMNCL2 VDD KN(VDD VTN)CLVTN 0.1VDDVDD VTN+1ln(19VDD 20 VTN)=KN越大越大 tf越小越小0VotVDD90%10%tftf=tf1+tf2 集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(2)上升时间上升时间ViVoVDDMPMNC
7、L0VotVDD90%10%tr2 VDD KP(VDD|VTP|)CL|VTP|0.1VDDVDD|VTP|+1ln(19VDD 20|VTP|)=KP越大越大 tr越小越小tr=tr1+tr2 集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(3)平均平均延迟时间延迟时间 tpd=(tpHL+tpLH)/20VitVDD50%0Vot50%tpHLVDDtpLHViVoVDDMPMN集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统5.功耗特性功耗特性ViVoVDDMPMN(1)静态功耗静态功耗PD 理想
8、情况下静态电流为理想情况下静态电流为0,实际存在漏电流(表面漏电,实际存在漏电流(表面漏电,PN结漏电),有漏电功耗:结漏电),有漏电功耗:PD=Ios VDD CMOS电路功耗由三部分电路功耗由三部分组成:静态功耗、瞬态功耗和组成:静态功耗、瞬态功耗和节点电容充放电功耗。节点电容充放电功耗。设计时应尽量减小设计时应尽量减小PN结面积结面积 集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(2)交流功耗交流功耗PAViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt PA 2 1(tr+tf)ITmax VDD c 由于节点都存在寄生电由于节点都存在寄生电
9、容,因而状态转换时输入波容,因而状态转换时输入波形有一定的斜率,使形有一定的斜率,使NMOS和和PMOS都处于导通态,存都处于导通态,存在瞬态电流,产生功耗:在瞬态电流,产生功耗:设计时应尽量减小设计时应尽量减小tr和和tf集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(3)瞬态功耗瞬态功耗PT 在状态转换过程中,在状态转换过程中,结点电位的上升和下降,结点电位的上升和下降,都伴随着结点电容的充放都伴随着结点电容的充放电过程,产生功耗:电过程,产生功耗:设计时应尽量减小设计时应尽量减小节节点寄生电容点寄生电容PT=CL VDD 2ViVoVDDMP
10、MNCL集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统6.最佳设计最佳设计 ViVoVDDMPMN(1)最小面积最小面积方案方案 芯片面积芯片面积 A=(Wn Ln+Wp Lp)按工艺设计规则设计最小尺寸按工艺设计规则设计最小尺寸 Lp=Ln Wp=Wn 面积小、功耗小、非对称延迟面积小、功耗小、非对称延迟(2)对称延迟对称延迟方案方案 上升时间与下降时间相同上升时间与下降时间相同tr=tf 应有:应有:Kp=Kn,一般取:,一般取:Lp=Ln则有:则有:Wp/Wn=n/p 2集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大
11、学集成电路与集成系统ViVoVDDMPMN(3)对延迟最小方案对延迟最小方案(Tpd最小)最小)一般取:一般取:Lp=Ln Wp/Wn=12 CL=CE+(Wp Lp+Wn Ln)Cg0TpdWp/Wn0 0.4 0.8 1.21.6 2.02.4寄生寄生电容电容增大增大Lp=Ln集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统(4)级间最佳驱动方案级间最佳驱动方案 Cg共共N级级CL0e5 /ln 设:级间尺寸比为设:级间尺寸比为,CL/Cg=驱动相同负载延迟为驱动相同负载延迟为 1 N-2 N-1一般取一般取 =25则:每级门延迟为则:每级门延迟
12、为,总延迟,总延迟 为为N,N=,N=ln/ln 可见:可见:=e时,总延迟最小时,总延迟最小因此有:因此有:N=ln(/ln)集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统7.单元版图示例单元版图示例 集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统MOS传输门 MOS传输门就是通过控制传输门就是通过控制MOS管管的导通和截止来实现信号的传输控制。的导通和截止来实现信号的传输控制。结构简单,控制灵活,是组成结构简单,控制灵活,是组成MOS电电路的基本单元之一。路的基本单元之一。集成电路集成电路CADCA
13、D设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统单沟传输门单沟传输门1.NMOS传输门传输门IOG“0”IOGG为为“1”电平时电平时 NMOS开启,传送信号开启,传送信号G为为“0”电平时电平时 NMOS管截止,不传送信号。管截止,不传送信号。O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管放电,管放电,NMOS管逐渐管逐渐进入非饱和,放电加快,最终进入非饱和,放电加快,最终O点达到与点达到与I点相同的点相同的“0”。(1)由由I向向O传送传送“0”时时(假设假设O初始为初始为“1”)集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集
14、成系统“1”IOG O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管充电,当管充电,当O点电位上点电位上升到比升到比G点电位低一个点电位低一个VTn时,时,NMOS管截止。即最终管截止。即最终O点达点达到的到的“1”比比G点的点的“1”低一低一个个VTn。(2)由由I向向O传送传送“1”时时(假设假设O初始为初始为“0”)集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统2.PMOS传输门传输门G为为“0”电平时电平时 PMOS开启,传送信号开启,传送信号G为为“1”电平时电平时 PMOS管截止,不传送信号。管截止,不传送信号。O点电容通过饱和导通
15、的点电容通过饱和导通的PMOS管充电,管充电,PMOS管逐渐管逐渐进入非饱和,充电加快,最终进入非饱和,充电加快,最终O点达到与点达到与I点相同的点相同的“1”。(1)由由I向向O传送传送“1”时时(假设假设O初始为初始为“0”)IOG“1”IOG集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统 O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的PMOS管放电,当管放电,当O点电位下降点电位下降到比到比G点电位高一个点电位高一个|VTp|时,时,PMOS管截止。即最终管截止。即最终O点达到点达到的的“0”比比G点的点的“0”高一个高一个|VTp|(2)由由I
16、向向O传送传送“0”时时(假设假设O初始为初始为“1”)“0”IOG集成电路集成电路CADCAD设计设计黑龙江大学集成电路与集成系统黑龙江大学集成电路与集成系统CMOS传输门传输门O点电容通过饱和导通的点电容通过饱和导通的NMOS管和管和PMOS管放电,管放电,NMOS管逐管逐渐进入非饱和,渐进入非饱和,PMOS管逐渐截管逐渐截止,最终止,最终O达到与达到与I相同的相同的“0”。(1)由由I向向O传送传送“0”(O初始为初始为“1”)OIGGG为为“0”电平、电平、G为为“1”电电平时平时 NMOS、PMOS管都截止。管都截止。G为为“1”电平时、电平时、G为为“0”电平电平 NMOS、PMO
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