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1、第四章 基本单元电路4.7 传输门基本特性1 MOS传输门逻辑电路传输门逻辑电路nNMOS/PMOS传输门特性传输门特性nCMOS传输门特性传输门特性n传输门的级联传输门的级联nNMOS传输门的电平恢复传输门的电平恢复2 MOS传输门结构传输门结构 NMOS传输门传输门 Pass Transistor 源、漏端不固定源、漏端不固定双向导通双向导通CMOS传输门传输门Transmission GateNMOS,PMOS并联并联源、漏端不固定源、漏端不固定栅极接相反信号栅极接相反信号两管同时导通或两管同时导通或截止截止CMOS反相器反相器NMOS,PMOS串联串联源端接固定电位、源端接固定电位、漏
2、端输出漏端输出栅极接相同信号栅极接相同信号两管轮流导通或两管轮流导通或截止截止3NMOS传输门传输高电平特性传输门传输高电平特性源端源端(G)(D)(s)VD=VG, 器件始终处于器件始终处于饱和区饱和区, 直到截止直到截止（类似于饱和负载的特性）（类似于饱和负载的特性）Vin=VDD,Vc=VDD4NMOS传输高电平n输出电压：有阈值损失输出电压：有阈值损失n工作在饱和区，但是电流不恒定工作在饱和区，但是电流不恒定n衬偏效应衬偏效应n增加阈值损失增加阈值损失n减小电流减小电流n低效传输高电平低效传输高电平(电平质量差，充电电流小电平质量差，充电电流小)Vin=VDD,Vc=VDD，VoutV
3、DDVth5NMOS传输门传输低电平特性传输门传输低电平特性漏端漏端(G)(s)(D)Hints:器件先处于饱和区，器件先处于饱和区，后处于线性区后处于线性区（类似于（类似于CMOS反相器中反相器中 的的NMOS管）管）Vin=0,Vc=VDD6NMOS传输低电平n输出电压：没有阈值损失输出电压：没有阈值损失n先工作在饱和区，后进入线形区先工作在饱和区，后进入线形区n没有衬偏效应没有衬偏效应n高效传输低电平高效传输低电平（电平质量好，充电电流大）（电平质量好，充电电流大）Vin=0,Vc=VDD，Vout07NMOS传输高电平和低电平n由于工作状态不同，以及衬偏效应的影响nNMOS传输高电平过
4、程的等效电阻近似为传输低电平时的2-3倍8 PMOS传输门传输特性传输门传输特性漏端漏端(G)(s)(D)传输传输高高电平情况电平情况传输传输低低电平情况电平情况器件先处于饱和区，器件先处于饱和区，后处于线性区后处于线性区器件始终处于饱和区器件始终处于饱和区, , 直到截止直到截止9NMOS/PMOS传输门：传输门：RC延迟延迟n沿用反相器部分的分析模型，沿用反相器部分的分析模型，宽度为宽度为W的的PMOS导电因子为导电因子为K，等效电阻为，等效电阻为R0，漏电容为，漏电容为C0，并有迁移率，并有迁移率2倍近似倍近似n如果负载电容只有传输管的漏如果负载电容只有传输管的漏电容，则宽度为电容，则宽
5、度为W/2的的NMOS的的传输延迟传输延迟：n多级串联的传输门可以根据集多级串联的传输门可以根据集总或者总或者elmore模型计算模型计算10传输管（传输管（NMOS/PMOS传输门）传输门）n结构简单结构简单n有阈值损失有阈值损失nNMOS高效传输低电平，低高效传输低电平，低效传输高电平效传输高电平nPMOS载流子迁移率小，载流子迁移率小，NMOS传输门应用更多传输门应用更多11 MOS传输门逻辑电路传输门逻辑电路nNMOS/PMOS传输门特性传输门特性nCMOS传输门特性传输门特性n传输门的级联传输门的级联nNMOS传输门的电平恢复传输门的电平恢复12CMOS传输门传输高电平特性传输门传输
6、高电平特性传输高电平分为传输高电平分为3个阶段：个阶段：（1） NMOS和和PMOS都饱和；都饱和；（2） NMOS饱和饱和,PMOS线性；线性；（3） NMOS截止截止,PMOS线性。线性。13CMOS传输门传输低电平特性传输门传输低电平特性 传输低电平分为传输低电平分为3个阶段：个阶段：（1） NMOS和和PMOS都饱和；都饱和；（2） NMOS线性线性,PMOS饱和；饱和；（3） NMOS线性线性,PMOS截止。截止。14CMOS传输门直流电压传输特性传输门直流电压传输特性CLVVDDoutVin始终有一个器始终有一个器件是导通的，件是导通的，可以传输全摆可以传输全摆幅的信号幅的信号15
7、CMOS传输门导通电流的变化传输门导通电流的变化传输高电平传输高电平 传输低电平传输低电平CLVVCoutVin 16CMOS传输门导通电阻的变化传输门导通电阻的变化传输延迟时间传输延迟时间 传输低电平传输低电平17CMOS传输门：RC延迟n利用高效电阻为低效电阻一半的结论利用高效电阻为低效电阻一半的结论n对称设计对称设计：KnKp2K，Wp2Wn2W，RnRpR0/2n如果负载电容只有传输管的漏电容，如果负载电容只有传输管的漏电容，则传输延迟：则传输延迟：n相同尺寸相同尺寸： WpWnW， Kn2Kp2K，RnRp/2R0/2，则，则传输延迟：传输延迟：nCMOS传输门传输门NP器件宽度相同
8、为最优器件宽度相同为最优CLVVCoutVin 18 MOS传输门逻辑电路传输门逻辑电路nNMOS/PMOS传输门特性传输门特性nCMOS传输门特性传输门特性n传输门的级联传输门的级联nNMOS传输门的电平恢复传输门的电平恢复19传输门的级联：RC网络V1Vi-1C2.52.500ViVi+1CC2.50Vn-1VnCC2.50InV1ViVi+1CVn-1VnCCInReqReqReqReqCC(a)(b)CReqReqCCReqCCReqReqCCReqCInm(c)20Delay Optimization平方增加平方增加线性增加线性增加传输门级联最传输门级联最多多34个，再个，再多则需要
9、插入多则需要插入缓冲器缓冲器21 MOS传输门逻辑电路传输门逻辑电路nNMOS/PMOS传输门特性传输门特性nCMOS传输门特性传输门特性n传输门的级联传输门的级联nNMOS传输门的电平恢复传输门的电平恢复22NMOS传输高电平：阈值损失00.511.520.01.02.03.0Time nsVoltage VxOutIn23NMOS传输门A = 2.5 VBC = 2.5VCLA = 2.5 VC = 2.5 VBM2M1Mnn阈值损失降低了噪声容限，并引起静态短路功耗阈值损失降低了噪声容限，并引起静态短路功耗n可以采用可以采用CMOS传输门，但是结构复杂传输门，但是结构复杂VB does
10、not pull up to 2.5V, but 2.5V - VTN24NMOS 传输门: 电平恢复器件M2M1MnMrOutABVDDVDDLevel RestorerX Advantage: Full Swing Restorer adds capacitance, takes away pull down current at X Ratio problem25Restorer Sizing01002003004005000.01.02.0W/Lr =1.0/0.25 W/Lr =1.25/0.25 W/Lr =1.50/0.25 W/Lr =1.75/0.25 Voltage VTime ps3.0电平恢复作用的电平恢复作用的PMOS器件器件Mr的宽长比不能太大，否则电的宽长比不能太大，否则电路无法工作路无法工作Mr一般取最小尺寸一般取最小尺寸LL，这样引入漏区电容最小，这样引入漏区电容最小如果前级如果前级NMOS传输门串联级数较多，传输门串联级数较多，Mr甚至可以取为甚至可以取为倒比例（倒比例（W/L1）M2M1MnMrOutABVDDVDDLevel RestorerX26
