专用集成电路的设计基础教程第4章 数字集成电路的设计技术.ppt

　　　4.1 MOS开关及CMOS传输门　　MOS开关及CMOS传输门在CMOS电路中是两种基本的开关或逻辑单元，由这些逻辑单元的组合可以实现基本的开关电路，进而扩展出更多的逻辑功能。 4.1.1 MOS开关 　　MOSFET是在高密度数字集成电路设计中用来传输和控制逻辑信号的电子器件。缩写词MOSFET的全称是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。MOSFET的工作在许多方面都像一个理想开关。 　　互补MOS(CMOS)采用两种类型的MOSFET构建逻辑电路。一种称为N沟道MOSFET(或简称为NFET), 它以带负电荷的电子作为电流。NFET的电路符号如图4-1(a)所示。栅极是器件的控制电极。加在栅极上的电压决定了在漏端和源端之间的电流。另一种晶体管称为P沟道MOSFET(或简称PFET)，它以正电荷为电流，其电路符号如图4-1(b)所示。像NFET一样，加在PFET栅极上的电压决定了在源端和漏端之间的电流。 图4-1 NFET和PFET的符号 　　NFET的工作特性如图4-2所示。栅极上的外加电压UDD保证了NFET导通，其作用如同一个闭合的开关。图4-2(a)中，器件左端加上了一个逻辑电平0，电压UX=0 V，正如期望的那样，输出电压UY=0 V。当增加输入电压时，该电压值也会被传送到输出端。但是，如图4-2(b)所示，当加上一个理想的逻辑1，即输入电压UX=UDD时，问题就发生了。 　　这时，输出电压UY=uo=UDD-UTH，这称为阈值电压损失。它起因于为保持器件的导通状态，栅—源电压必须具有的最小电压值UGSN=UTN，如图4-2(b)所示，根据基尔霍夫电压定律，这要从电压UDD中减去。鉴于输出电压UY小于理想的逻辑1值UDD，称NFET只能导通一个“弱”逻辑1。同理，鉴于它能毫无问题地产生一个输出电压UY=0 V，称它可传送一个“强”逻辑0。总之，NFET可传送［0, UDD-UTH］范围内的电压，但不能超过UDD。 图4-2 NFET的传输特性 　　PFET具有与NFET相反的传输特性。为了考察PFET特性，将它的栅极接地。图4-3 为对应两种输入值时的电路。在图4-3(a)中，UX=UDD，相当于输入逻辑1的情况，此时输出电压UY=UDD，这是理想的逻辑1电平, 因此，PFET能够传送“强”逻辑1。但当UX=0 V时，如图4-3(b)所示, 可传送的电压只能下降到最小值UY=|UTP|，这也是阈值损失的结果, 即为了保持PFET导通，栅—源电压的最小值必须为USGP=|UTP|。由于栅电压为0 V，因此栅—源电压要升高到|UTP|，从而影响了输出, 故PFET只能传送一个“弱”逻辑0。总之，PFET传送的电压范围为［|UTP|, UDD］，但不能低于|UTP|。 图4-3 PFET的传输特性 　　通过以上分析，我们可以得到以下结论：　　NFET传送强逻辑0电平、弱逻辑1电平；　　PFET传送强逻辑1电平、弱逻辑0电平。　　设计互补MOS(CMOS)电路就是为了解决传送电平的问题。设计的基本规则为：　　使用PFET传送逻辑1电压UDD；　　使用NFET传送逻辑0电压USS=0 V。　　以上这些使我们能够构建一个可传送理想逻辑电压0 V和UDD到输出端的电路。 4.1.2 CMOS传输门 　　在CMOS电路中, 传输门被作为一种基本的开关或逻辑单元，由多个逻辑单元的组合来实现基本的开关电路并进而扩展出更多的逻辑功能。图4-4示出CMOS传输门的结构及其常用的符号。通过此单元的导通通路是由一互补的控制信号对　　　　　来控制的。当C=1, 　　　时，两管同时导通，输入信号送至输出端(即输出信号等于输入信号)；而当C=0，　　　　时，两管皆不导通(形成高阻态), 将逻辑流切断(即输入的变化对输出没有影响)。为此可将传输门当作一个电压控制或逻辑控制的开关。 　　由图4-4可看出，CMOS传输门与CMOS反相器一样，都是由一个PMOS管和一个NMOS管相并联组成的，但它们的连接方式却完全不同。为了加深对CMOS传输门电特性的了解，可先研究各个MOSFET 开关管的性能，然后再将其构成并联电路。之所以将两MOSFET管称为开关管是因为流过它的电流是双向的，具体的流向由具体情况来确定。CMOS反相器中PMOS管的源极必须接UDD，漏极与NMOS管的漏极连在一起接输出端，而NMOS管的源极必须接到地。也就是说，CMOS反相器中两管的源、漏极是固定不变的。但对传输门则不然，其漏、源极可以互换而不固定。 图4-4 CMOS传输门的结构及其常用的符号 　　正是由于CMOS传输门是由