《MOS管反相器》PPT课件.ppt

集成电路设计导论集成电路设计导论云南大学信息学院电子工程系云南大学信息学院电子工程系梁竹关梁竹关第一部分第一部分第一部分第一部分 理论课理论课理论课理论课第一章第一章第一章第一章 绪言绪言绪言绪言 1 11 1 集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展 1 12 2 集成电路分类集成电路分类集成电路分类集成电路分类 1 13 3 集成电路设计集成电路设计集成电路设计集成电路设计第二章第二章第二章第二章 MOS MOS晶体管晶体管晶体管晶体管 2 21 MOS1 MOS晶体管结构晶体管结构晶体管结构晶体管结构 2 22 MOS2 MOS晶体管工作原理晶体管工作原理晶体管工作原理晶体管工作原理 2 23 MOS3 MOS晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系 2 24 MOS4 MOS晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数 2 25 MOS5 MOS晶体管的晶体管的晶体管的晶体管的SPICESPICE模型模型模型模型第三章第三章第三章第三章 MOS MOS管反相器管反相器管反相器管反相器 3 31 1 引言引言引言引言 3 32 NMOS2 NMOS管反相器管反相器管反相器管反相器 3 33 CMOS3 CMOS反相器反相器反相器反相器 3 34 4 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器 3 35 5 延迟延迟延迟延迟 3 36 6 功耗功耗功耗功耗第四章第四章第四章第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 4.1 引言引言引言引言 4.2 4.2 集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS 4.3 CMOS工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程 4.4 4.4 设计规则设计规则设计规则设计规则 4.5 CMOS 4.5 CMOS反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应 4.6 4.6 版图设计版图设计版图设计版图设计第五章第五章第五章第五章 MOS MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS 5.1 NMOS管逻辑电路管逻辑电路管逻辑电路管逻辑电路 5.2 5.2 静态静态静态静态CMOSCMOS逻辑电路逻辑电路逻辑电路逻辑电路 5.3 MOS 5.3 MOS管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路 5.4 MOS 5.4 MOS管传输逻辑电路管传输逻辑电路管传输逻辑电路管传输逻辑电路 5.5 5.5 触发器触发器触发器触发器 5.6 5.6 移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器 5.7 5.7 输入输出（输入输出（输入输出（输入输出（I/OI/O）单元）单元）单元）单元第六章第六章第六章第六章 MOS MOS管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计 6.1 6.1 引言引言引言引言 6.2 6.2 加法器加法器加法器加法器 6.3 6.3 乘法器乘法器乘法器乘法器 6.4 6.4 存储器存储器存储器存储器 6.5 PLA 6.5 PLA第七章第七章第七章第七章 MOS MOS管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础 7.1 7.1 引言引言引言引言 7.2 MOS 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS 7.3 MOS模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元 7.4 MOS 7.4 MOS管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计第八章第八章第八章第八章 集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计 8.1 8.1 引言引言引言引言 8.2 8.2 模拟集成电路测试模拟集成电路测试模拟集成电路测试模拟集成电路测试 8.3 8.3 数字集成电路测试数字集成电路测试数字集成电路测试数字集成电路测试 8.4 8.4 数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试第二部分第二部分第二部分第二部分 实验课实验课实验课实验课 1 1、数字集成电路、数字集成电路、数字集成电路、数字集成电路 （1 1）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；（2 2）静态）静态）静态）静态CMOSCMOS逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真分析；（3 3）设计）设计）设计）设计CMOSCMOS反相器版图；反相器版图；反相器版图；反相器版图；（4 4）设计）设计）设计）设计D D触发器及其版图；触发器及其版图；触发器及其版图；触发器及其版图；（5 5）设计模）设计模）设计模）设计模1616的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。2 2、模拟集成电路、模拟集成电路、模拟集成电路、模拟集成电路 设计一个设计一个设计一个设计一个MOSMOS放大电路（可选）放大电路（可选）放大电路（可选）放大电路（可选）。章次章次章次章次题目题目题目题目教学时教学时教学时教学时数数数数第一章第一章第一章第一章绪言绪言绪言绪言2 2学时学时学时学时第二章第二章第二章第二章MOSMOS晶体管晶体管晶体管晶体管4 4学时学时学时学时第三章第三章第三章第三章MOSMOS管反相器管反相器管反相器管反相器 6 6学时学时学时学时第四章第四章第四章第四章半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 6 6学时学时学时学时第五章第五章第五章第五章MOSMOS管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计 4 4学时学时学时学时第六章第六章第六章第六章MOSMOS管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计 4 4学时学时学时学时第七章第七章第七章第七章MOSMOS管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础6 6学时学时学时学时第八章第八章第八章第八章集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计 4 4学时学时学时学时总计总计总计总计3636学时学时学时学时教学进度表教学进度表参考文献参考文献参考文献参考文献1 1 王志功，景为平，孙玲王志功，景为平，孙玲王志功，景为平，孙玲王志功，景为平，孙玲.集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具.南京：南京：南京：南京：东南大学出版社，东南大学出版社，东南大学出版社，东南大学出版社，20072007年年年年7 7月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）.22（美）（美）（美）（美）Baker,Harry W.Li,David E.Boyce.Baker,Harry W.Li,David E.Boyce.CMOS Circuit Design,Layout and Simulation.CMOS Circuit Design,Layout and Simulation.北京：北京：北京：北京：机械工业出版社，机械工业出版社，机械工业出版社，机械工业出版社，2006.2006.3 3 陈中建主译陈中建主译陈中建主译陈中建主译.CMOS.CMOS电路设计、布局与仿真电路设计、布局与仿真电路设计、布局与仿真电路设计、布局与仿真.北京：机械工北京：机械工北京：机械工北京：机械工 业出版社，业出版社，业出版社，业出版社，2006.2006.44（美）（美）（美）（美）Wayne Wolf.Modern VLSI Design System onWayne Wolf.Modern VLSI Design System on Silicon.Silicon.北京：科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，2002.2002.5 5 朱正涌朱正涌朱正涌朱正涌.半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2001.2001.6 6 王志功，沈永朝王志功，沈永朝王志功，沈永朝王志功，沈永朝.集成电路设计基础电子工业出版集成电路设计基础电子工业出版集成电路设计基础电子工业出版集成电路设计基础电子工业出版 社，社，社，社，20042004年年年年5 5月（月（月（月（2121世纪高等学校电子信息类教材）世纪高等学校电子信息类教材）世纪高等学校电子信息类教材）世纪高等学校电子信息类教材）.反相器是构成逻辑电路的一个基本要素，无论是对于恢复逻反相器是构成逻辑电路的一个基本要素，无论是对于恢复逻反相器是构成逻辑电路的一个基本要素，无论是对于恢复逻反相器是构成逻辑电路的一个基本要素，无论是对于恢复逻辑电平的电路、与非门及或非门电路，还是对于各种形式的时序辑电平的电路、与非门及或非门电路，还是对于各种形式的时序辑电平的电路、与非门及或非门电路，还是对于各种形式的时序辑电平的电路、与非门及或非门电路，还是对于各种形式的时序电路以及存储器电路，它都是需要的。电路以及存储器电路，它都是需要的。电路以及存储器电路，它都是需要的。电路以及存储器电路，它都是需要的。MOSMOS管反相器分为静态管反相器分为静态管反相器分为静态管反相器分为静态反相器和动态反相器两种结构形式。静态反相器是动态反相器发反相器和动态反相器两种结构形式。静态反相器是动态反相器发反相器和动态反相器两种结构形式。静态反相器是动态反相器发反相器和动态反相器两种结构形式。静态反相器是动态反相器发展的基础，通过分析各种静态反相器的特点，才能充分利用各种展的基础，通过分析各种静态反相器的特点，才能充分利用各种展的基础，通过分析各种静态反相器的特点，才能充分利用各种展的基础，通过分析各种静态反相器的特点，才能充分利用各种静态反相器性能优势，在其基础上发展和应用动态反相器。本章静态反相器性能优势，在其基础上发展和应用动态反相器。本章静态反相器性能优势，在其基础上发展和应用动态反相器。本章静态反相器性能优势，在其基础上发展和应用动态反相器。本章从静态反相器入手，首先分析了各种静态反相器的电路结构特点、从静态反相器入手，首先分析了各种静态反相器的电路结构特点、从静态反相器入手，首先分析了各种静态反相器的电路结构特点、从静态反相器入手，首先分析了各种静态反相器的电路结构特点、直流特性、延迟和功耗，然后分析了动态反相器的电路结构特点、直流特性、延迟和功耗，然后分析了动态反相器的电路结构特点、直流特性、延迟和功耗，然后分析了动态反相器的电路结构特点、直流特性、延迟和功耗，然后分析了动态反相器的电路结构特点、工作特性等。工作特性等。工作特性等。工作特性等。第三章第三章 MOS管反相器管反相器3.1 3.1 引言引言引言引言 反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电路中的表示符号如图所示。路中的表示符号如图所示。路中的表示符号如图所示。路中的表示符号如图所示。图图图图3.1.1 3.1.1 反相器符号反相器符号反相器符号反相器符号图图图图3.1.2 3.1.2 反相器结构反相器结构反相器结构反相器结构3.2 NMOS3.2 NMOS管负载反相器管负载反相器管负载反相器管负载反相器3.2.1 3.2.1 增强型增强型增强型增强型NMOSNMOS管负载反相器管负载反相器管负载反相器管负载反相器1 1、负载、负载、负载、负载NMOSNMOS管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器 （a a）电路）电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.1 3.2.1 饱和区增强型负载饱和区增强型负载饱和区增强型负载饱和区增强型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器2 2、负载、负载、负载、负载NMOSNMOS管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区（a a）电路）电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.2 3.2.2 线性区增强型负载线性区增强型负载线性区增强型负载线性区增强型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器3.2.2 3.2.2 耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器（a a）电路）电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.3 3.2.3 耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器3.3 CMOS3.3 CMOS反相器反相器反相器反相器3.3.1 CMOS3.3.1 CMOS反相器结构特点反相器结构特点反相器结构特点反相器结构特点（a a）电路）电路）电路）电路3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS反相器直流特性反相器直流特性反相器直流特性反相器直流特性（b b）转移特性）转移特性）转移特性）转移特性图图图图3.3.1 CMOS3.3.1 CMOS反相器反相器反相器反相器（c c）电流的变化）电流的变化）电流的变化）电流的变化3.4 3.4 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器图图图图3.4.1 3.4.1 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器3.4.1 3.4.1 动态有比反相器动态有比反相器动态有比反相器动态有比反相器3.4.2 3.4.2 动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器图图图图3.4.2 3.4.2 动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器3.5 3.5 延迟延迟延迟延迟（a a）反相器）反相器）反相器）反相器（b b）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑0 0跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑1 1（c c）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑1 1跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑图图图图3.5.1 3.5.1 反相器产生延迟反相器产生延迟反相器产生延迟反相器产生延迟图图图图3.5.2 3.5.2 两级两级两级两级CMOSCMOS反相器级联反相器级联反相器级联反相器级联（a a）充电模型）充电模型）充电模型）充电模型（b b）放电模型）放电模型）放电模型）放电模型图图图图3.5.3 3.5.3 延迟模型延迟模型延迟模型延迟模型（a a）充电过程）充电过程）充电过程）充电过程图图图图3.5.4 3.5.4 主要电阻和电容来源主要电阻和电容来源主要电阻和电容来源主要电阻和电容来源（b b）放电过程）放电过程）放电过程）放电过程3.6 3.6 功耗功耗功耗功耗CMOSCMOS反相器的耗功反相器的耗功反相器的耗功反相器的耗功P P由两部分组成，由两部分组成，由两部分组成，由两部分组成，（1 1）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗PDPD；（2 2）动动动动态态态态功功功功耗耗耗耗，即即即即反反反反相相相相器器器器电电电电平平平平发发发发生生生生跳跳跳跳变变变变时时时时产产产产生生生生的的的的功耗。功耗。功耗。功耗。1 1、静态功耗、静态功耗、静态功耗、静态功耗图图图图3.6.1 CMOS3.6.1 CMOS反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流图图图图3.6.2 NMOS3.6.2 NMOS反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流2 2、动态功耗、动态功耗、动态功耗、动态功耗以以以以CMOSCMOS反反反反相相相相器器器器为为为为例例例例来来来来分分分分析析析析动动动动态态态态功功功功耗耗耗耗。在在在在输输输输入入入入信信信信号号号号从从从从逻逻逻逻辑辑辑辑0 0到到到到逻逻逻逻辑辑辑辑1 1的的的的跳跳跳跳变变变变或或或或输输输输入入入入信信信信号号号号从从从从逻逻逻逻辑辑辑辑1 1到到到到逻逻逻逻辑辑辑辑0 0跳跳跳跳变变变变的的的的瞬瞬瞬瞬间间间间，CMOSCMOS反反反反相相相相器器器器的的的的NMOSNMOS晶晶晶晶体体体体管管管管和和和和PMOSPMOS晶晶晶晶体体体体管管管管都都都都处处处处于于于于导导导导通通通通状状状状态态态态，这这这这导导导导致致致致一一一一个个个个从从从从电电电电源源源源V VDDDD到到到到地地地地的的的的窄窄窄窄电电电电流流流流脉脉脉脉冲冲冲冲。同同同同时时时时为为为为了了了了对对对对负负负负载载载载电电电电容容容容进进进进行行行行充充充充电电电电和和和和放放放放电电电电，也也也也需需需需要要要要有有有有电电电电流流流流流流流流动动动动，这这这这将将将将引引引引起起起起功功功功耗耗耗耗。通通通通常常常常，对对对对负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。以以以以图图图图所所所所示示示示的的的的电电电电路路路路为为为为例例例例，由由由由于于于于对对对对负负负负载载载载电电电电容容容容的的的的充充充充电电电电和和和和放放放放电电电电所引起的平均动态功耗为：所引起的平均动态功耗为：所引起的平均动态功耗为：所引起的平均动态功耗为：式式式式中中中中，f f是是是是输输输输入入入入脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号变变变变化化化化频频频频率率率率，C CL L是是是是延延延延迟迟迟迟模模模模型型型型中中中中的的的的电电电电容容容容，如如如如图所示。图所示。图所示。图所示。