《超大规模集成电路设计导论》第4章：逻辑设计技术

2020/5/131第四章逻辑设计技术清华大学计算机系2020/5/132第一节MOS管的串、并联特性晶体管的驱动能力是用其导电因子β来表示的，β值越大，其驱动能力越强。多个管子的串、并情况下，其等效导电因子应如何推导？一、两管串联：VdVsIdsβeffVgT1β1T2β2VsVdVgVm2020/5/133设：Vt相同，工作在线性区。将上式代入（1）得：由等效管得：)1(2211VDVTVGVMVTVGIDS)2(2222VMVTVGVSVTVGIDSVDVTVGVSVTVGVMVTVGIDSIDS22112212221)3(]22[21121VDVTVGVSVTVGIDS)4(]22[VDVTVGVSVTVGeffIDS2020/5/134比较（3）（4）得：同理可推出N个管子串联使用时，其等效增益因子为：2112effNiieff1112020/5/135二、两管并联：同理可证，N个Vt相等的管子并联使用时：])[(2121VVVVVVIIIDTG2STG2DSDSDS2][122effDTGSTGeffDSVVVVVVINiieff1VdVsIdsβeffVgT1β1T2β2VsVdVgVg2020/5/136第二节各种逻辑门的实现一、与非门：baXVddVssXba2020/5/137与非门电路的驱动能力在一个组合逻辑电路中，为了使各种组合门电路之间能够很好地匹配，各个逻辑门的驱动能力都要与标准反相器相当。即在各种工作条件下，各个逻辑门的驱动能力至少不低于标准反相器的驱动能力。设：标准反相器的导电因子为：βn=βpV0VddVssViTpTn2020/5/138设：与非门的导电因子为：βn1=βn2=β’nβp1=βp2=β’p（1）a，b=1，1时，下拉管的等效导电因子：βeffn=β’n/2（2）a，b=0，0时，上拉管的等效导电因子：βeffp=2β’p（3）a，b=1，0或0，1时，上拉管的等效导电因子：βeffp=β’p综合以上情况，驱动能力最低的工作情况是（1）（3），应使：βeffp=βp=β’p；βeffn=βn=β’n/2即要求p管的沟道宽度比n管大1.25倍以上。VddVssXba25.15.25.02''2/')(')('2/')(pnnWpWnLWoxCnpLWoxCppnLWoxCnp即2020/5/139二、或非门：baXVddVssXbaTp2Tp1Tn1Tn22020/5/1310设：或非门的导电因子为：βn1=βn2=β’nβp1=βp2=β’p(1)当a，b=0，0时，上拉管的等效导电因子：βeffp=β’p/2(2)当a，b=1，1时，下拉管的等效导电因子：βeffn=2β’n(3)当a，b=1，0或0，1时，下拉管的等效导电因子：βeffn=β’n综合以上情况，在驱动能力最低的工作情况（1）（3），应使：βeffp=β’p/2=βp；βeffn=β’n=βn即：β’p=2β’n所以W’p/W’n=2μn/μp≈22.5=5即要求p管的宽度要比n管宽度大5倍。VddVssXbaTp2Tp1Tn1Tn22020/5/1311三、CMOS与或非门:cdabXxVssacbdVddabcd2020/5/1312(1)a,b,c,d=0,0,0,0时：βeffp=β’p(2)a,b,c,d=1,1,1,1时：βeffn=β’n(3)a,b,c,d有一个为1时：βeffp=2β’p/3(4)a,b,c,d=1,1,0,0或a,b,c,d=0,0,1,1时：βeffn=β’n/2(5)a,b,c,d=0,1,0,1或1,0,1,0或0,1,1,0或1,0,0,1时：βeffp=β’p/2综合以上情况，在驱动能力最低的工作情况（4）（5），应使：βeffp=β’p/2=βpβeffn=β’n/2=βn则：W’p/W’n=μn/μp≈2.5xVssacbdVddabcd2020/5/1313四、CMOS传输门（1）单管传输门一个MOS管可以作为一个开关使用，电路中Cl是其负载电容。•当Vg=0时，T截止，相当于开关断开。•当Vg=1时，T导通，相当于开关合上。VgViTClVoVo/（Vg-Vt）11Vi/（Vg-Vt）Vo=Vg-Vt2020/5/1314•Vi〈Vg-Vt时：输入端处于开启状态，设初始时Vo=0，则Vi刚加上时，输出端也处于开启状态，MOS管导通，沟道电流对负载电容Cl充电，至Vo=Vi。•Vi≥Vg-Vt时：输入沟道被夹断，设此时Vo〈Vg-Vt，则Vi刚加上时，输出端导通，沟道电流对Cl充电，随着Vo的上升，沟道电流逐渐减小，当Vo=Vg-Vt时，输出端也夹断，MOS管截止，Vo保持Vg-Vt不变。综上所述：•ViVg-Vt时，MOS管无损地传输信号•Vi≥Vg-Vt时，Vo=Vg-Vt信号传输有损失，为不使Vo有损失需增大Vg。2020/5/1315（2）CMOS传输门为了解决NMOS管在传输时的信号损失，通常采用CMOS传输门作为开关使用。它是由一个N管和一个P管构成。工作时，NMOS管的衬底接地，PMOS管的衬底接电源，且NMOS管栅压Vgn与PMOS管的栅压Vgp极性相反。ViVoVgnVddVgp2020/5/1316Vgp=1，Vgn=0时：双管截止，相当于开关断开；Vgp=0，vgn=1时：双管有下列三种工作状态：ViVgn+VtnN管导通，ViVgp+|Vtp|P管截止，Vi通过n管对Cl充电至：Vo=ViViVgn+VtnN管导通，ViVgp+|Vtp|P管导通，Vi通过双管对Cl充电至：Vo=ViViVgn+VtnN管截止，ViVgp+|Vtp|P管导通。Vi通过P管对Cl充电至：Vo=Vi通过上述分析，CMOS传输门是较理想的开关，它可将信号无损地传输到输出端。2020/5/1317012345ViVo54321双管通N管通P管通•传输门特性2020/5/1318五、异或门与同或门（1）异或门：bababaXabVddVssabxVssabVddababab2020/5/1319（2）同或门：BABAABXAVddBXT6T2T1T3T4T7T52020/5/1320T6、T7总是导通的：ABX001100010111A,B=0,0时：T1,T2,T3,T4关，T5通，Vdd通过T7充电，X=1；A,B=1,0时：T1,T3关，T2,T4通，T5通，T7,T5,T4形成通路，X=0；A,B=0,1时：T1,T3通，T2,T4关，T5通，T7,T5,T3形成通路，X=0；A,B=1,1时：T1,T2,T3,T4通，T5关，Vdd通过T7充电，X=1。AVddBXT6T2T1T3T4T7T52020/5/1321第三节可编程逻辑器件•数字系统的组成部件•ASSP:Application-Specific-Standard-Product•ASIC:Application-Specific-Integrated-Circuit•PLD:ProgrammableLogicDevice2020/5/1322•可编程逻辑器件分类•互连特性：确定型和统计型•可编程特性一次编程熔丝或逆熔丝EPROM结构EEPROM、FLASHSRAM•结构的复杂程度–PLD、CPLD、FPGA2020/5/1323PLA设计方法：（1）把功能表转化成表达式，并把原表达式中的最小项归并简化。功能表ABCZ1Z2Z3Z4000100010110001101011111010101010101110100001100001010002020/5/1324ABCCBCBCBAABCCBACABCBAZ)(1CBAAABCCBACBACABCBAZ2CBCBACBAZ3CBACBAZ42020/5/1325（2）对上式各乘积项进行编号，形成“与”阵列。AAR1CBCBR2CBACBAR3CBACBAR42020/5/1326（3）改写输出表达式，形成“或”阵列RRZ111RRRRZ31312RRZ223RRRRZ434342020/5/1327（4）画电路图（5）设计版图2020/5/1328第四节触发器（Flip—Flop）触发器用于寄存信息，它分为以下三大类：（1）静态触发器：信息寄存是依靠具有反相功能的门电路的直流交叉偶合来实现。当时钟禁止时，触发器的输出电平保持不变。（2）动态触发器：信息寄存是利用栅电容的电荷存储来实现。当时钟禁止时，触发器输出逻辑状态将被破坏。（3）准静态触发器：信息寄存主要依靠静态触发器中的直流交叉偶合来实现，但有少部分时间用了动态电路中栅电容的电荷存储效应来实现信息保持。2020/5/1329（1）静态触发器VddSRCPQnQnCPSRQn+10××Qn100Qn1011011001111不定不定Qn1QnQn2020/5/1330（2）动态触发器：VddI0CPDQCCPDQI02020/5/1331VddT3CPDQC1C2T1T2CPDQ改进的动态触发器2020/5/1332（3）准静态触发器：VddDQΦ1T1QT4T3T6T5Φ2T2采样Φ1Φ2DQ电荷保持电荷保持偶合保持2020/5/1333第五节存储器（Memory）存储器是用来存储信息的，它分为以下两大类：（1）只读存储器ROM：使用时只能读出信息。掩膜MROM：制造时写入信息。可编程PROM：使用前用户写入信息，写入后不能改写。可擦除EPROM，EEPROM：使用前用户写入信息，写入后能改写。2020/5/1334（2）随机存储器RAM：使用时可读写信息。动态随机存储器DRAM：用管子少，面积小，功耗低。信号需要再生。静态随机存储器SRAM：信号不需要再生，抗干扰能力强。用管子多，面积大，功耗大。2020/5/1335（一）动态随机存储器DRAM最简单的DRAM存储单元是单管单元，它由一个晶体管与一个和源极相连的电容构成。单元写入过程：字线为高，数据线为低：写“1”数据线为高：写“0”单元读出过程：字线为高，数据线预冲电至高，Cs上有电荷：读出“1”Cs上无电荷：读出“0”字线（选择线）位线（数据线）TCDCsVdd2020/5/1336特点：（1）位线的寄生电容CD较大：Cs/CD大约1/10。根据电荷守恒原理：VD是很小的，数据线上读出要用灵敏放大器。（2）读出是破坏性的，读出后要对单元进行再生。（3）线路简单，单元占面积小，速度快。CCsCsVsVCsVsCCsVDDDD)(2020/5/1337（二）静态随机存储器SRAMVdd位线位线列选择线T5T6字选择线T1T2T4T3读放T8T72020/5/1338T1~T4交叉耦合静态触发器：存储信息。T5~T6把触发器与字线、位线连接起来。字线不选中：T5、T6截止，存储单元处于保持状态。字线选中：T5、T6导通，如列线选中单元，T7、T8导通，单元状态经过T7、T8传至读出放大器或写入信息经过T7、T8、T5、T6进入静态触发器。2020/5/1339（三）掩膜只读存储器MROM全固定式MROM，把信息预先放到生产过程中所使用的掩膜版中。这种存储器的写入准确性和稳定性都很高，适合与大批量生产。MROM的存储单元由两种类型单元构成：低开启电压的存储单元，存“1”高开启电压的存储单元，存“0”2020/5/1340•MROM的存储单元W0W1W2W3VGGVDD0321字线位线厚栅