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1、第6章 数字集成电路基本单元与版图 6.1 引言引言 6.2 CMOS基本门电路及版图实现基本门电路及版图实现 6.3 数字电路标准单元库设计简介数字电路标准单元库设计简介 6.4 焊盘输入输出单元（焊盘输入输出单元（I/O PAD） 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University 数数字字集集成成电电路路的的基基本本电电路路的的主主要要性性能能指标是：指标是：（1）工作速度（延迟时间的长短）；）工作速度（延迟时间的长短）；（2）集成度（占用面积的大小）；）
2、集成度（占用面积的大小）；（3）功耗（消耗的电源功率）；）功耗（消耗的电源功率）；（4）噪声容限等。）噪声容限等。2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University CMOS基本门电路及版图实现 CMOS反相器 （1） CMOS反相器的具体电路如图所示，这是一种典型的反相器的具体电路如图所示，这是一种典型的CMOS电电路结构，它由一个路结构，它由一个NMOS晶体管和晶体管和PMOS晶体管配对构成，两个器晶体管配对构成，两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入
3、。件的漏极相连作为输出，栅极相连作为输入。NMOS晶体管的衬底晶体管的衬底与它的源极相连并接地，与它的源极相连并接地，PMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。电源。 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University CMOS基本门电路及版图实现 （2） CMOS物理结构的剖视图如图所示。其中物理结构的剖视图如图所示。其中n沟道晶沟道晶体管是在体管是在p阱区中制作的；而阱区中制作的；而P沟道晶体管是在沟道晶体管是在n型衬底型衬底
4、上制作的。两个晶体管的栅极联在一起形成输入端。上制作的。两个晶体管的栅极联在一起形成输入端。 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现开关特性 我我们们希希望望反反相相器器的的上上升升时时间间和和下下降降时时间间近近似似相相等等，则则需需要要使使PMOS管管的的沟沟道道宽宽度度必必须须加加宽宽到到NMOS管管沟沟道道宽度的宽度的 n / p倍左右。倍左右。 2007-2008-1School of Information a
5、nd Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现功耗功耗 无论无论CMOS门处于这两种逻辑形态中的哪门处于这两种逻辑形态中的哪一种状态，两个一种状态，两个MOS管中始终有一个管子是截管中始终有一个管子是截止的。由于没有从止的。由于没有从VDD到到VSS的直流通路，也没的直流通路，也没有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和静态功耗静态功耗PD都是都是0。 2007-2008-1School of Information and Communication En
6、gineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现CMOS反相器的设计反相器的设计 CMOS反相器的版图实现反相器的版图实现2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图
7、实现（a）垂直走向垂直走向MOS管结构；管结构；（b）水平走向水平走向MOS管结构；管结构；（c）金属线从管子中间穿过的水平走向金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结构；管结构；（d）金属线从管子上下穿过的水平走向金属线从管子上下穿过的水平走向MOS管结构；管结构；（e）有多晶硅线穿过的垂直走向有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管管结构。结构。2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现与非门和或非门电路 （1）工作原理 二二输输
8、入入与与非非门门和和二二输输入入或或非非门门电电路路如如图图所所示示，两两个个PMOS管管并并联联与与两两个个串串联联的的NMOS管管相相连连构构成成了了二二输输入入与与非非门门，两两个个NMOS管管并并联联与与两两个个串串联联的的PMOS相相连构成了二输入或非门。连构成了二输入或非门。 （2） 与非门和或非门电路的设计与非门和或非门电路的设计 （3）版图实现版图实现 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现 CMOS传输门
9、和开关逻辑 （1）工作原理工作原理 在在图图中中的的CMOS传传输输门门采采用用了了P管管和和N管管对对，控控制制信信号号和和C分分别别控控制制P管管和和N管管，使使两两管管同同时时关关断断和和开开通通。由由于于PMOS管管对对输输入入信信号号S高高电电平平的的传传输输性性能能好好，而而NMOS管管对对输输入入信信号号S低低电电平平的的传传输输性性能好，从而使信号能好，从而使信号S可以获得全幅度的传送而没有电平损失。可以获得全幅度的传送而没有电平损失。2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Po
10、lytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现（2 2）利用传输门，很容易构成一些开关逻）利用传输门，很容易构成一些开关逻辑。辑。 1）与或门与或门 2）异或异或 门门 3）异或异或 非门非门 4）线或线或 逻辑逻辑（3 3）版图实现）版图实现 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic UniversityCMOS基本门电路及版图实现驱动电路的结构 众所周知，任何一个逻辑门都有一定的驱动能力，当它所要驱动的负众所周知，任何一个逻辑门都有一定的驱动能力，
11、当它所要驱动的负载超过了它的能力，就将导致速度性能的严重退化。设计者可根据负载载超过了它的能力，就将导致速度性能的严重退化。设计者可根据负载大小以及脉冲边沿的要求决定驱动级器件尺寸，如果驱动级尺寸很大且大小以及脉冲边沿的要求决定驱动级器件尺寸，如果驱动级尺寸很大且和前级功能电路的驱动能力不相匹配，应该在两者之间加一些缓冲级，和前级功能电路的驱动能力不相匹配，应该在两者之间加一些缓冲级，以达到最佳匹配。以达到最佳匹配。 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic Univers
12、ity 三态门三态门 在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此需要设计三态门电路，以避免总线使用的矛盾。三态需要设计三态门电路，以避免总线使用的矛盾。三态门电路可以用如图所示的常规逻辑门构成。当使能信门电路可以用如图所示的常规逻辑门构成。当使能信号号E E为高电平时，或非门和与非门都打开，数据传至驱为高电平时，或非门和与非门都打开，数据传至驱动管反相输出；当动管反相输出；当E E为低电平时，与非门输出为高电平为低电平时，与非门输出为高电平关闭了关闭了P P管，或非门输出低电平关闭了管，或非门输出低电平关闭了N N管，输出处于管，输出处于高阻态。高
13、阻态。P25P25 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University数字电路标准单元库设计简介 基本原理 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University数字电路标准单元库设计简介库单元设计 标标准准单单元元库库中中的的单单元元电电路路是是多多样样化化的的，通通常常包包含含上上百百种单元电路，每种单元的描述内容都包括：种单元电
14、路，每种单元的描述内容都包括：（1）逻辑功能；）逻辑功能；（2）电路结构与电学参数；）电路结构与电学参数；（3）版图与对外连接端口的位置；）版图与对外连接端口的位置； 对对于于标标准准单单元元设设计计EDA系系统统而而言言，标标准准单单元元库库应应包包含含以下三个方面的内容：以下三个方面的内容：（1）逻辑单元符号库与功能单元库；）逻辑单元符号库与功能单元库；（2）拓扑单元库；）拓扑单元库；（3）版图单元库。）版图单元库。2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic Univer
15、sity焊盘输入输出单元（I/OPAD） 输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入一般认为外部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备再驱动功能。因此，输入单元单元不必具备再驱动功能。因此，输入单元的结构主要是输入保护电路。的结构主要是输入保护电路。P73P73 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University焊盘输入输出单元（I/OPAD）输出单元 输出单元的主要任务是提供一定的驱动能
16、力，防止输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元还承担内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。入电路相比，输出单元的电路形式比较多。1)反相输出I/OPAD 顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。这个反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用这个反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用是提供一定的驱动能力。是提供一定的驱动能力。 2007-2008-1School
17、of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University焊盘输入输出单元（I/OPAD）2）同相输出同相输出I/OPAD 同相输出实际上就是同相输出实际上就是“反相反相反相反相”，为什么不直接从内部电路直，为什么不直接从内部电路直接输出呢？主要是驱动能力问题。利用链式结构可以大大地减小内部接输出呢？主要是驱动能力问题。利用链式结构可以大大地减小内部负荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动大负荷。即内部电路驱动一个较小尺寸的反相器，这个反相器再驱动大的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才
18、能获得较大的外部驱动。的反相器，在同样的内部电路驱动能力下才能获得较大的外部驱动。P77P77 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University焊盘输入输出单元（I/OPAD）3 3）三态输出）三态输出I/OPAD 所所谓谓三三态态输输出出是是指指单单元元除除了了可可以以输输出出“0”，“1”逻逻辑辑外外，还还可可高高阻阻输输出出，即即单单元元具具有有三三种种输输出出状状态态。同同样样，三三态态输输出出的的正正常常逻逻辑辑信信号号也也可可分分为为反反相相输输出
19、出和和同同相相输输出出。下下图图是是一一个个同同相相三三态态输输出出的的电电路路单单元元的的结结构构图。图。2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University4 4）漏极开路输出单元）漏极开路输出单元 如如果果希希望望系系统统支支持持多多个个集集成成电电路路的的正正常常逻逻辑辑输输出出同同时时到到总总线线以以实实现现某某种种操操作作，就就必必须须对对集集成成电电路路的的输输出出单单元元进进行行特特殊殊的的设设计计，以以支支持持“线线逻逻辑辑”，同同时时，总总线线
20、也也将将做做适适当当的的改改变变。漏漏极极开开路路输输出出单单元元结结构构就就是是其其中中的的一一种种。下下图图给给出出了了两两种种漏漏极极开开路路结结构构的的输输出出单单元元，其其中中（a）图图的的内内部部控控制制信信号号是是通通过过反反相相器器反反相相控控制制NMOS管管工工作作的的方方式式，（b）图图是是同同相相控控制制的的方方式式。P802007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University输入、输出双向三态单元（I/OPAD） 在在许许多多应应用用场场合合，需需要要某某些些数数据据端端同同时时具具有有输输入入、输输出出的的功功能能，或或者者还还要要求求单单元元具具有有高高阻阻状状态态。在在总总线线结结构构的的电电子子系系统统中中使使用用的的集集成成电电路路常常常常要要求求这这种种I/OPAD。下下图图是一个输入、输出双向三态的是一个输入、输出双向三态的I/OPAD单元电路。单元电路。P83 2007-2008-1School of Information and Communication EngineeringTianjin Polytechnic University
