微电子与集成电路设计导论 第五章 集成电路基础.pptx

第五章 集成电路基础; 本章内容;5.1 集成电路概述;有源器件:内部有电源存在的器件叫做有源器件，常见的有源器件有电子管、晶体管等。;隔离区：现采取的隔离技术主要有PN结隔离、介质隔离、刻槽隔离等。集成电路中采用隔离技术的原因是避免元件之间的相互干扰影响正常工作，右图是电容隔离的案例。 互连线：多层金属互连技术是现在的主流互联技术如右图，首先，使用多层金属互连技术可以使集成密度增加，提高集成度；其次，使用多层金属互连可以降低互连线导致的延迟时间。 ;钝化保护层：表面钝化工艺是在器件表面覆盖保护介质膜以防止污染的工艺，右图即使用PSG和氮硅化化合物作为保护层的器件结构图。 寄生效应：理想状态下，导线是没有电阻，电容和电感的。而在实际中则还是会存在一定的电阻，电容和电感，且频率越高，寄生效应越明显。;集成电路分类; 电路规模分类： 小规模集成电路（SSI） 中规模集成电路（MSI） 大规模集成电路（LSI） 超大规模集成电路（VLSI） 特大规模集成电路和巨大规模集成电路;5.1.4 集成电路发展;5.2 数字集成电路;5.2.1 数字逻辑简介;A;5.2.2 CMOS反相器性能指标;开关特性：;在直流情况下，CMOS反相器没有输出电流，总是满足 其中下标N和P分别表示NMOS晶体管和PMOS晶体管。 （1） 如左图所示的AB区域，NMOS晶体管截止，PMOS晶体管工作在线性区，因此有 经计算可得 ;（2） 如左图所示的BC区域，NMOS晶体管导通，工作在饱和区，而PMOS晶体管仍然在线性区。根据 可得到 （3） 如左图所示的CD区域，NMOS晶体管和PMOS晶体管都处在饱和区，此时有 ;（4） 如左图所示的DE区域，NMOS管进入线性导通区，而PMOS管仍在饱和区。根据NMOS管和PMOS管直流电流相等可以得到该区域的电压转移特性 （5） 如左图所示的EF区域，PMOS管由导通变为截止，而NMOS管仍然在线性导通区。由于PMOS管截止，使得 ;噪声容限：;（2）极限输出电平定义的噪声容限 根据实际工作确定所允许的最低的输出高电平VOHmin，它所对应的输入电平定义为关门电平VOFF；给定允许的最高的输出低电平VOLmax，它所对应的输入电平??义为开门电平VON。开门电平和关门电平与CMOS电路的理想输入逻辑电平之间的范围就是CMOS电路的噪声容限。如左图所示是反相器的噪声容限 输入高电平噪声容限： 输入低电平噪声容限： ;（3）反相器阈值点定义的最大噪声容限 CMOS反相器的阈值点是反相器状态变化的临界点，以反相器的阈值作为所允许的最坏的输入电平，则阈值点与理想逻辑电平之间的范围就是CMOS反相器的最大噪声容限, 则 当CMOS反相器中的两个管子完全对称时有 左图所示是实际反相器的最大噪声容限 ，较小值决定了电路所能承受的最大直流噪声容限，因为有;电流转移曲线：;瞬态特性：;动态功耗：;（2）短路功耗 在输入变化的过程中，翻转的电压处于VTN和 之间时，两个晶体管都导通，于是VDD和地之间产生了一个电流通路，它引起的功耗占总翻转功耗的5%~30%。短路功耗取决于器件电流强度、输入翻转时间以及输出电容。 当反相器的输出端不接负载时，若反相器中PMOS与NMOS的特性参数相同，当电压翻转上升时，漏极电流 即一周期的平均电流 综上，短路功耗最终为;CMOS逻辑门电路;图5.2.15 与非门输出响应;2. 或非门电路;图5.2.21 或非门输出响应;图5.2.22 异或门电路;图5.2.27 异或门输出响应;4. 传输门电路;5.2.4 CMOS集成电路特点小结 功耗低 工作电压范围宽 温度稳定性能好 输入阻抗高 抗干扰能力强 抗辐射能力强 逻辑摆幅大 扇出能力强 ;5.3 双极型（Bipolar）和BiCMOS集成电路;非门电路,A=1;5.3.2 BiCMOS集成电路;5.4 模拟集成电路5.4.1 放大器的性能指标;性能指标：除增益和速度外，功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅等也是放大器的重要指标。此外，放大器的输入输出阻抗将决定其应如何与前级和后级电路进行相互配合。在实际中，这些参数几乎都会相互牵制，一般称为“八边形法则”，茹右下图所示。 增益：输出量Xout与输入量Xin的比值 带宽：指放大器的小信号带宽。 建立时间：从跳变开始到输出稳定的时间。 相位裕度：主要用来衡量反馈系统的稳定性，并能用来预测闭环系统阶跃响应的过冲。 转换速率：反应放大器的响应速度。;5.4.2 三种组态放大器;当VinVin1时，M1工作在线性区： 晶体管在线性区跨导 会下降，所以要保证晶体管工作在饱和区，即Vout