半导体集成电路复习题及答案

第8章动态逻辑电路填空题1、对于一般的动态逻辑电路，逻辑部分由输出低电平的网组成，输出信号与电源之间插入了栅控制极为时钟信号的,逻辑网与地之间插入了栅控制极为时钟信号的。【答案：NMOS,PMOS,NOMS】2、对于一个级联的多米诺逻辑电路，在评估阶段：对PDN网只允许有跳变，对PUN网只允许有跳变，PDN与PDN相连或PUN与PUN相连时中间应接入。【答案：】解答题1、从逻辑功能，电路规模，速度3方面分析下面2电路的相同点和不同点。从而说明CMOS动态组合逻辑电路的特点。【答案：】图A是CMOS静态逻辑电路。图B是CMOS动态逻辑电路。2电路完成的均是NAND的逻辑功能。图B的逻辑部分电路使用了2个MOS管，图A使用了4个MOS管，由此可以看出动态组合逻辑电路的规模为静态电路的一半。图B的逻辑功能部分全部使用NMOS管，图A即使用NMOS也使用PMOS，由于NMOS的速度高于PMOS，说明动态组合逻辑电路的速度高于静态电路。2、分析下面的电路，指出它完成的逻辑功能，说明它和一般动态组合逻辑电路的不同,说明其特点。【答案：】该电路可以完成OUT=AB的与逻辑。与一般动态组合逻辑电路相比，它增加了一个MOS管Mkp,这个MOS管起到了电荷保持电路的作用，解决了一般动态组合逻辑电路存在的电荷泄漏的问题。3、分析下列电路的工作原理，画出输出端OUT的波形。【答案：】答案：4、结合下面电路，说明动态组合逻辑电路的工作原理。【答案：】动态组合逻辑电路由输出信号与电源之间插入的时钟信号PMOS,NMOS逻辑网和逻辑网与地之间插入的时钟信号NMOS组成。当时钟信号为低电平时，PMOS导通，OUT被拉置高电平。此时电路处于预充电阶段。当时钟信号为低电平时，PMOS截至，电路与VDD的直接通路被切断。这时NOMS导通，当逻辑网处于特定逻辑时，电路输出OUT被接到地，输出低电平。否则，输出OUT仍保持原状态高电平不变。例如此电路，NMOS网构成逻辑网中A与C,或B与C同时导通时，可以构成输出OUT到地的通路，将输出置为低电平。第7章传输门逻辑填空题1、写出传输门电路主要的三种类型和他们的缺点：（1），缺点：；（2），缺点：；（3），缺点：。【答案：NMOS传输门，不能正确传输高电平，PMOS传输门，不能正确传输低电平，CMOS传输门，电路规模较大。】2、传输门逻辑电路的振幅会由于减小，信号的也较复杂，在多段接续时，一般要插入。【答案：阈值损失，传输延迟，反相器。】3、一般的说，传输门逻辑电路适合逻辑的电路。比如常用的和。【答案：异或，加法器，多路选择器】解答题1、分析下面传输门电路的逻辑功能，并说明方块标明的MOS管的作用。【答案：】根据真值表可知，电路实现的是OUT=AB的与门逻辑，方块标明的MOS管起到了电荷保持电路的功能。2、根据下面的电路回答问题：分析电路，说明电路的B区域完成的是什么功能，设计该部分电路是为了解决NMOS传输门电路的什么问题？【答案：】当传输高电平时，节点n1电位升高，当电位大于反向器IV1的逻辑阈值时，反向器输出低电平，此低电平加在P1管上，P1管导通，n1的电位可以上升到VDD。当传输低电平时，节点n1电位较低，当电位小于反向器IV1的逻辑阈值时，反向器输出高电平，此高电平加在P1管上，P1管截止，n1的电位保持传输来的低电平。说明B部分电路具有电荷保持电路的功能。设计该部分电路是为了解决NMOS传输门电路由于阈值电压不能正确传输高电平的问题。3、根据下面的电路回答问题。已知电路B点的输入电压为2.5V，C点的输入电压为0V。当A点的输入电压如图a时，画出X点和OUT点的波形，并以此说明NMOS和PMOS传输门的特点。【答案：】由此可以看出，NMOS传输门电路不能正确传输高电平，PMOS传输门电路不能正确传输低电平。4、写出逻辑表达式C=AB的真值表，并根据真值表画出基于传输门的电路原理图。【答案：】第6章CMOS静态逻辑门解答题1、画出F=A⊕B的CMOS组合逻辑门电路【答案：】2、用CMOS组合逻辑实现全加器电路【答案：】全加器的求和输出Sum和进位信号Carry表示为三个输入信号A、B、C的函数：Sum=A⊕B⊕C=Carry(A+B+C)+ABCCarry=(A+B)C+AB3、画出F=的CMOS组合逻辑门电路，并计算该复合逻辑门的驱动能力【答案：】4、简述CMOS静态逻辑门功耗的构成【答案：】CMOS静态逻辑门的功耗包括静态功耗和动态功耗。静态功耗几乎为0。但对于深亚微米器件，存在泄漏电流引起的功耗，此泄漏电流包括栅极漏电流、亚阈值漏电流及漏极扩散结漏电流。动态功耗包括短路电流功耗，即切换电源时地线间的短路电流功耗和瞬态功耗，即电容充放电引起的功耗两部分。5、降低电路的功耗有哪些方法【答案：】电路的功耗主要由动态功耗决定，而动态功耗取决于负载电容、电源电压和时钟频率，所以减少负载电容，降低电源电压，降低开关活动性是有效降低电路功耗的方法。第5章MOS反相器解答题1、请给出NMOS晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值）。【答案：】2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响【答案：】器件的亚阈值特性是指在分析MOSFET时，当VgsVth时MOS器件仍然有一个弱的反型层存在，漏源电流Id并非是无限小，而是与Vgs呈现指数关系，这种效应称作亚阈值效应。影响：亚阈值导电会导致较大的功率损耗，在大型电路中，如内存中，其信息能量损耗可能使存储信息改变，使电路不能正常工作。3、MOS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响【答案：】短沟道效应是指：当MOS晶体管的沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应，栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，产生耗尽区电荷共享，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少的现象影响：由于受栅控制的耗尽区电荷不断减少，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低；沟道变短使得器件很容易发生载流子速度饱和效应。4、请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响【答案：】对于PMOS晶体管，通常情况下衬底和源极都接最高电位，衬底偏压，此时不存在衬偏效应。而当PMOS中因各种应用使得源端电位达不到最高电位时，衬底偏压0，源与衬底的PN结反偏，耗尽层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。影响：使得PMOS阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。5、什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响【答案：】MOS晶体管存在速度饱和效应。器件工作时，当漏源电压增大时，实际的反型层沟道长度逐渐减小，即沟道长度是漏源电压的函数，这一效应称为“沟道长度调制效应”。影响：当漏源电压增加时，速度饱和点在从漏端向源端移动，使得漏源电流随漏源电压增加而增加，即饱和区D和S之间电流源非理想。6、为什么MOS晶体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）【答案：】晶体管开通后，其漏源电流随着漏源电压而变化。当漏源电压很小时，随着漏源电压的值的增大，沟道内电场强度增加，电流随之增大，呈现非饱和特性；而当漏源电压超过一定值时，由于载流子速度饱和（短沟道）或者沟道夹断（长沟道），其漏源电流基本不随漏源电压发生变化，产生饱和特性。7、考虑一个电阻负载反相器电路：VDD=5V，KN`=20uA/V2，VT0=0.8V，RL=200KΩ，W/L=2。计算VTC曲线上的临界电压值（VOL、VOH、VIL、VIH）及电路的噪声容限，并评价该直流反相器的设计质量。【答案：】8、设计一个VOL=0.6V的电阻负载反相器，增强型驱动晶体管VT0=1V，VDD=5V1）求VIL和VIH2）求噪声容限VNML和VNMH【答案：】9、采用MOSFET作为nMOS反相器的负载器件有哪些优点【答案：】采用负载电阻会占用大量的芯片面积，而晶体管占用的硅片面积通常比负载电阻小，并且有源负载反相器电路比无源负载反相器有更好的整体性能。10、什么是CMOS电路？简述CMOS反相器的工作原理及特点【答案：】CMOS电路是指由NMOS和PMOS所组成的互补型电路。对于CMOS反相器，Vin=0时，NMOS截止，PMOS导通，Vout=VOH=VDD；Vin=VDD时，NMOS导通，PMOS截止，Vout=VOL=0。高低输出电平理想，与两管无关。从对CMOS反相器工作原理的分析可以看出，在输入为0或VDD时，NMOS和PMOS总是一个导通，一个截止，没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因而其静态电流和功耗几乎为0。这也是CMOS电路最大的特点。第4章TTL电路解答题1、名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输入短路电流输入漏电流静态功耗【答案：】电压传输特性：指电路的输出电压VO随输入电压Vi变化而变化的性质或关系（可用曲线表示，与晶体管电压传输特性相似）。开门/关门电平：开门电平VIHmin-为保证输出为额定低电平时的最小输入高电平(VON)；关门电平VILmax-为保证输出为额定高电平时的最大输入低电平(VOFF)。逻辑摆幅：-输出电平的最大变化区间，VL=VOH-VOL。过渡区宽度：输出不确定区域（非静态区域）宽度，VW=VIHmin-VILmax。输入短路电流IIL-指电路被测输入端接地，而其它输入端开路时，流过接地输入端的电流。输入漏电流（拉电流，高电平输入电流，输入交叉漏电流）IIH-指电路被测输入端接高电平，而其它输入端接地时，流过接高电平输入端的电流。静态功耗-指某稳定状态下消耗的功率，是电源电压与电源电流之乘积。电路有两个稳态，则有导通功耗和截止功耗，电路静态功耗取两者平均值，称为平均静态功耗。2、分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态【答案：】当输入端的信号，有任何一个低电平时：Q1饱和区Q2截至区Q3饱和区Q4截至区当输入端的信号全部为高电平时：Q1反向区Q2饱和区Q3饱和区Q4饱和区4、两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进【答案：】两管与非门：输出高电平低，瞬时特性差。四管与非门：输出采用图腾柱结构Q3--D，由于D是多子器件，他会使Tplh明显下降。D还起到了点评位移作用，提高了输出电平。五管与非门：达林顿结构作为输出级，Q4也起到点评位移作用，达林顿电流增益大，输出电阻小，提高电路速度和高电平负载能力。四管和五管在瞬态中都是通过大电流减少Tplh.静态中提高了负载能力和输出电平。5、相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的【答案：】六管单元用有源泄放回路RB-RC-Q6代替了R3由于RB的存在，使Q6比Q5晚导通，所以Q2发射基的电流全部流入Q5的基极，是他们几乎同时导通，改善了传输特性的矩形性，提高了抗干扰能力。当Q5饱和后Q6将会替它分流，限制了Q5的饱和度提高了电路速度。在截至时Q6只能通过电阻复合掉存储电荷，Q6比Q5晚截至，所以Q5快速退出饱和区。6、为什么TTL与非门不能直接并联【答案：】当电路直接并联后，所有高电平的输出电流全部灌入输出低电平的管子，可能会使输出低电平的管子烧坏。并会使数出低电平抬高，容易造成逻辑混乱。7、OC门在结构上作了什么改进，它为什么不会出现TTL与非门并联的问题【答案：】去掉TTL门的高电平的驱动级，oc门输出端用导线连接起来，接到一个公共的上拉电阻上，实施线与，此时就不会出此案大电流灌入，Q5不会使输出低电平上升造成逻辑混乱。第1章集成电路的基本制造工艺解答题1、四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用【答案：】减小集电极串联电阻，减小寄生PNP管的影响2、在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响【答案：】电阻率过大将增大集电极串联