序论 CMOS数字集成电路的优点： □功耗低； 集成度高； 电路简单； 抗干扰能力强； 工作速度正超越典型TTL电路； CMOS数字电路组成： 开关、反相器-基本构件； 组合逻辑电路； 时序逻辑电路； 西安交通大浮微电子研究所 Chap4 P.2
微电子研究所 Chap4 P.2 序论 CMOS数字集成电路的优点： 功耗低； 集成度高； 电路简单； 抗干扰能力强； 工作速度正超越典型TTL电路； CMOS数字电路组成： 开关、反相器－基本构件； 组合逻辑电路； 时序逻辑电路；
CMOS逻辑电路类型互补静态CMOS逻辑：非常可靠，全摆幅，高噪声容限，能够按比例缩小：容易设计，可以综合；口可以实现所有的逻辑功能：口没有静态功耗：但有短路电流：■上升、下降延时不同：输入负载由P和N器件构成：口NAND、NOR逻辑比较快，MUX、XOR逻辑慢；传输管逻辑；口简单速度快，但不是总有效：有比逻辑；（伪NMOS，电阻/PMOS/耗尽NMOS负载）口面积小、速度快，但有静态功耗；动态逻辑：（多米诺、NP、C2MOS等）口面积小，速度最快，但噪声容限小：无法按比例缩小。西安交通大学微电子研究所Chap4 P.3
微电子研究所 Chap4 P.3 CMOS逻辑电路类型 互补静态CMOS逻辑； 非常可靠，全摆幅，高噪声容限，能够按比例缩小； 容易设计，可以综合； 可以实现所有的逻辑功能； 没有静态功耗；但有短路电流； 上升、下降延时不同； 输入负载由P和N器件构成； NAND、NOR逻辑比较快，MUX、XOR逻辑慢； 传输管逻辑； 简单速度快，但不是总有效； 有比逻辑；(伪NMOS，电阻/PMOS/耗尽NMOS负载) 面积小、速度快，但有静态功耗； 动态逻辑；(多米诺、NP、C2MOS等) 面积小，速度最快，但噪声容限小；无法按比例缩小
4.1互补静态CMOS反相器VVDDINOLUTa）输入为逻辑！b）输入为逻辑0VIN为低电平时：M,截止，M2导通，Vour=VDDVN为高电平时：M,导通，M,截止，Vour=0西安交通大学微电子研究所Chap4 P.4
微电子研究所 Chap4 P.4 4.1 互补静态CMOS反相器 VIN为低电平时：M1截止，M2导通，VOUT=VDD VIN为高电平时：M1导通，M2截止，VOUT=0
CMOS反相器版图（Layout）VOUTIAmetal1-polycontactmetal1polysiliconmetal2VDDNwellpdiffPMOS(4/.24=16/1)CNMOS(2/.24=8/1)metal1-diffcontactndiffGNDmetal2-metal1via西安交通大学品微电子研究所Chap4 P.5
微电子研究所 Chap4 P.5 VDD GND NMOS (2/.24 = 8/1) PMOS (4/.24 = 16/1) metal2 metal1 polysilicon VIN VOUT metal1-poly contact metal2-metal1 via metal1-diff contact pdiff ndiff CMOS反相器版图（Layout） N well
两个反相器级联VDDPMOS1.2um=22工OutInMetal1PolysilicomNMOSGND西安交通大学微电子研究所Chap4 P.6
微电子研究所 Chap4 P.6 两个反相器级联 Polysilicon In Out Metal1 VDD GND PMOS NMOS 1.2 μm =2λ VDD
反相器传输特性曲线（作图法）X 1042.5VGs = 2.5V2VGs = 2.0V1.5美AVs =1.5VDVGs = 1.0V0.5n0Vps (M)00.51.5212.5NMOS晶体管I一V特性曲线NMOS transistor, 0.25um, L.= 0.25um, W/L = 1.5, Vpp =2.5V, V = 0.4V西安交通大学微电子研究所Chap4 P.7
微电子研究所 Chap4 P.7 反相器传输特性曲线(作图法) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 I D (A ) VDS (V) X 10-4 VGS = 1.0V VGS = 1.5V VGS = 2.0V VGS = 2.5V 线 性 关 系 NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V NMOS晶体管I－V特性曲线
PMOS晶体管I一V特性曲线所有电压电流特性都是反的-2Vps (M)-10CGs=-1.OVV-0.2-0.4VGs = -1.5VM-0.6DVGs = -2.0V-0.8/Gs = -2.5VX 10-4PMOStransistor,0.25um,L.=0.25um,W/L=1.5,Vpp=2.5V,V-=-0.4V西安交通大学微电子研究所Chap4 P.8
微电子研究所 Chap4 P.8 PMOS晶体管I－V特性曲线 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -2 -1 0 I D (A ) VDS (V) X 10-4 VGS = -1.0V VGS = -1.5V VGS = -2.0V VGS = -2.5V PMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = -0.4V z 所有电压电流特性都是反的
变换PMOSI-V曲线使ViN，VouT，和Ip在同一个坐标系lonIDSp = -IDSnVGsn= Vin ;= Vin-VDDVGSpp = Vout- VDDVDsn = Vou ; VDspVoutV.=0Vin=0V.=1.5V.=1.5沿X轴镜像水平轴右移VpDVGSp=-2.5Vin = VpD + VGSpVout = VpD + VDSpIon = -Ipp西安交通大学微电子研究所Chap4 P.9
微电子研究所 Chap4 P.9 变换 PMOS I-V 曲线 IDSp = -IDSn VGSn= Vin ； VGSp = Vin - VDD VDSn= Vout ；VDSp = Vout - VDD Vout IDn VGSp = -2.5 VGSp = -1 沿X轴镜像 Vin = VDD + VGSp IDn = -IDp Vin = 1.5 Vin = 0 Vin = 1.5 Vin = 0 水平轴右移VDD Vout = VDD + VDSp z 使 VIN, VOUT, 和 ID在同一个坐标系
CMOS反相器负载曲线PMOSNMOSX10-42.51Vin=OVVin=2.5V2Vin=2.0VVin=0.5Y.53DVin=1.0V1Vin=1.5VinVn=0.5VVin=2V0.5Vin=1.0VVin=1.5VVin=0.5VVin = 2.0V0Vin=OV20.5Vin=2.5V0.1.52.5Vout (V)0.25um,W/L,=1.5,W/L,=4.5,Vpp=2.5V,Vtn=0.4V,Vtp=-0.4V西安交通大学微电子研究所Chap4 P.10
微电子研究所 Chap4 P.10 CMOS 反相器负载曲线 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 I D (A ) Vout (V) X 10-4 Vin = 1.0V Vin = 1.5V Vin = 2.0V Vin = 2.5V 0.25um, W/Ln = 1.5, W/Lp = 4.5, VDD = 2.5V, VTn = 0.4V, VTp = -0.4V Vin = 0V Vin = 0.5V Vin = 1.0V Vin = 1.5V Vin = 0.5V Vin = 2.0V Vin = 2.5V Vin = 2V Vin = 1.5V Vin = 1V Vin = 0.5V Vin = 0V PMOS NMOS
CMOS反相器电压传输特性VTC2.5V2DD1.5MLMIpVVNVOUT10.5 InM,00.51.52012.5VIN (M)西安交通大学微电子研究所Chap4 P.11
微电子研究所 Chap4 P.11 CMOS反相器电压传输特性VTC 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 VIN (V) VOUT (V)