北京大学：《集成电路原理与设计 Principle of Integrated Circuits》课程电子教案（数字集成电路原理与设计）chap4-1 第四章 CMOS单元电路 静态CMOS逻辑电路 4.6 复杂逻辑门的分析

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1 静态CMOS逻辑电路 4.6 复杂逻辑门的分析 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation cMoS复杂逻辑门 静态CMoS逻辑门的构成 复杂CMoS逻辑门的分析与设计 ■异或门/多路器/全加器 类NMoS逻辑电路

2 CMOS复杂逻辑门  静态CMOS逻辑门的构成  复杂CMOS逻辑门的分析与设计  异或门/多路器/全加器  类NMOS逻辑电路 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 复杂逻辑门的分析一直流 m根据给定的电路,分 析直流特性,画出 C B VTC ■根据逻辑阈值点,分D-4 析电路的噪声容限 Y=(A+B)C+D ■假设图中电路所有器 件均取相同尺寸,并a 有迁移率2倍近似

复杂逻辑门的分析—直流  根据给定的电路，分 析直流特性，画出 VTC  根据逻辑阈值点，分 析电路的噪声容限  假设图中电路所有器 件均取相同尺寸，并 有迁移率2倍近似 3 Y=(A+B)C+D A A B B C C D D VDD Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 复杂逻辑门的分析一瞬态 分析电路的最大上 b-B 升/下降时间及延迟 ■电容的处理: ■忽略串联中间节点 Y=(A+B)C+D 电容,只考虑输出 节点电容 如果外部负载很大, D 甚至可以忽略输出8=+4 节点的源漏区电容

复杂逻辑门的分析—瞬态  分析电路的最大上 升/下降时间及延迟  电容的处理：  忽略串联中间节点 电容，只考虑输出 节点电容  如果外部负载很大， 甚至可以忽略输出 节点的源漏区电容 4 Y=(A+B)C+D A A B B C C D D VDD Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 复杂逻辑门的设计c B 若要求电路驱动01pF负载电容时,上升 下降时间不大于1ns,已知:cox=7E 4 Y=(A+B)C+D 8F/cm2 VDD=5V, VTN=0. 8V VTP=-0.9V, n=400cm2Vs, up=200cm2/Vs. D A 根据tr和t的公式和工艺条件,可以求出: r1=575×10s,r=581×10s, 再根据工艺条 Pr=3.5×10~AV2,KNer=34×10AV 件,求出每个 Kn = K K Kn=K NC 2k, 管子的尺寸。 Neff? K.=Kn=K PD 3K Peff 5 Kpc =1.5Kp Peff

5 复杂逻辑门的设计 若要求电路驱动0.1pF负载电容时，上升、 下降时间不大于1ns,已知：Cox=7E- 8F/cm2, VDD=5V, VTN=0.8V, VTP=-0.9V, μn=400cm2/Vs, μp=200cm2/Vs. 根据tr和tf的公式和工艺条件，可以求出： 10 10 r f 5 2 5 2 Peff Neff ND Neff NA NB NC Neff PA PB PD Peff PC Peff 5.75 10 s, 5.81 10 s, 3.5 10 A/V , 3.4 10 A/V , 2 , 3 , 1.5 K K K K K K K K K K K K K K                       再根据工艺条 件，求出每个 管子的尺寸。 Y=(A+B)C+D A A B B C C D D VDD Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation D-y 设计考虑:对称结构 ■如果没有特定的应用要 求,对称结构是比较优化 A 的设计 Y=(A+B)C+D ■选择最坏情况的上拉和c 下拉路径,器件尺寸使得a 其导电因子(等效电阻) 相等

6 设计考虑：对称结构 如果没有特定的应用要 求，对称结构是比较优化 的设计 选择最坏情况的上拉和 下拉路径，器件尺寸使得 其导电因子（等效电阻） 相等 Y=(A+B)C+D A A B B C C D D VDD A B C D Y Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation CMos电路结构的优化 相同的逻辑功能可以有不同的cMos电路结构, 可以根据速度和面积选择优化的结构 例如实现:Y=ABC 方案一: 彐D Y=ABC 方案二:Y=A+B+C

7 CMOS电路结构的优化 相同的逻辑功能可以有不同的CMOS电路结构， 可以根据速度和面积选择优化的结构 例如实现：  ABCY 方案一：  ABCY 方案二：  CBAY Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 大扇入逻辑门的设计 实现8个变量“与”的三种方案 思考: 三种方案的 CL 差别

8 CL CL CL 大扇入逻辑门的设计 实现8个变量“与”的三种方案 思考： 三种方案的 差别 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation Wp=24um 第一种方案 Wn=12um in CL=0.01pF CL= 1pF

9 第一种方案 CL=0.01pF CL=1pF CL in x Y in in x x Y Y Wp=24um Wn=12um Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation Wp=24um x 第二种方案 Wn=12um CL=0.01pF CL=1pF X In

10 第二种方案 CL=0.01pF CL=1pF CL in x Y in in x x Y Y Wp=24um Wn=12um Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only