Для магистратуры / CMOS_IC

120

ления двоичных сигналов широко применяется другая простая двухтранзисторная схема – симметричный инвертор, в котором n-МОП и p-МОП включены последовательно между электродами напряжения питания (рис.1.4). В этой схеме n-МОП подсоединен истоком к нулевому потенциалу, а p-МОП истоком к положительному источнику питания. КМОПинвертор можно рассматривать как два ключа с одним управляющим сигналом X, один из которых (n-МОП) соединяет выход Q c низким уровнем VL, а другой p-МОП – выход Q с высоким уровнем VH.

Рис.1.4. КМОП-инвертор: а – схема; б – ключевая модель инвертора; в – положение ключей при нулевом выходе; г – положение ключей при единичном выходе

При нулевом входном сигнале n-МОП закрыт, а p-МОП открыт (рис 1.4,в). На выход через открытый p-МОП поступает напряжение питания, т.е. на выходе единица.

При единичном входном сигнале ситуация прямо противоположная, p-МОП закрыт, а n-МОП открыт (рис1.3,г) и привязывает выходное напряжение к нулевому потенциалу, т.е. на выходе нуль.

В обоих случаях у КМОП-инвертора открыт только один МОП и цепь питания разомкнута. Таким образом КМОП-инверторы не потребляют ток (с точностью до малых токов утечки) в статическом состоянии, что очень важно для больших ИС.

Квазиинверторы. Наряду с рассмотренной схемой в качестве инверторов используют и другие схемы. Так в двухтранзисторной КМОПсхеме входной сигнал подается на затвор n-МОП, а затвор p-МОП подсоединен к нулевому потенциалу (рис.1.5,а). Нагрузочный p-МОП постоянно находится в открытом состоянии. В таком случае, при нулевом входном сигнале, n-МОП закрыт и на выходе единичное напряжение источника питания. При единичном входном сигнале оба транзистора открыты, через схему протекает ток и выходное напряжение определяется делителем, образованным МОП-транзисторами. Если сопротивление n-

121

МОП гораздо меньше сопротивления p-МОП, то выходное напряжение может быть достаточно близко к нулевому. Таким образом, такая схема выполняет функцию инвертора, но имеет худшие характеристики, чем КМОП-инвертор. Она потребляет ток и размах выходного сигнала не равен напряжению источника питания. Иногда такие инверторы называют квазиинверторами.

Рис. 1.5. Варианты квазиинверторов: а – p-МОП нагрузка; б – n-МОП нагрузка

Квазиинверторы могут быть построены и на транзисторах одного типа проводимости. В этом случае затвор нагрузочного транзистора подсоединяют к стоку – диодное включение МОП (рис.1.5,б). Характеристики такого квазиинвертора еще хуже, чем предыдущего, поскольку схема обладает сильной асимметрией особенно заметной в процессе переключения.

Квазиинверторы на однотипных МОП могут быть улучшены при использовании в качестве нагрузочных МОП со встроенным каналом.

Достоинства КМОП-инверторов:

1)в статическом состоянии цепь источника питания разомкнута, элемент не потребляет ток и не рассеивает статическую мощность;

2)выходное сопротивление элемента равно напряжению открытого МОП и через него выход привязан к одному из электродов источника питания. В результате с двоичные сигналы совпадают с потенциалами на электродах источника питания, VH = VDD и VL = 0.

3)при одинаковых по электрическим параметрам n-МОП и p- МОП в силу симметрии схемы будут симметричны и ее характеристики.

1.4.Логические КМОП-элементы

Вышеперечисленные свойства КМОП-инверторов могут быть с небольшими изменениями перенесены и на более сложные логические элементы. Практически наиболее важным является первое свойство, в силу которого статическое потребление мощности в КМОП-схемах пренебрежимо мало. Второе свойство повышает помехоустойчивость логических схем.

122

Среди логических элементов выделяют наборы, достаточные для синтеза произвольных логических функций, т.е. обладающие логической полнотой. Логически полными являются и отдельные элементы ИЛИ-НЕ (NOR) и И-НЕ (NAND). КМОП-вентили достаточно просто реализуют функции NOR и NAND.

Выход Q двухвходового логического элемента 2ИЛИ-НЕ зависит от входов X1 и X2

Рассмотрим КМОП-схему с двумя входами в которой входные сигналы поступают на p-МОП, соединенные последовательно, и на n- МОП, соединенные параллельно (рис.1.6).

Рис.1.6. КМОП логический элемент 2ИЛИ-НЕ – NOR2: а – схема; б – ключевая модель; в – положение ключей при единичном выходе;г – положение ключей при нулевом выходе.

Если оба входа нулевые, то p-МОП включены, а n-МОП выключены, и на выходе единица. Если хотя бы один входной сигнал единичный, то цепь из двух p-МОП разомкнута, а хотя бы один n-МОП включен, и на выходе ноль. В соответствии с формулой (1.1) элемент выполняет логическую функцию 2ИЛИ-НЕ (NOR2). Легко убедиться, что он, как и инвертор, обладает первыми двумя полезными свойствами: цепь питания при всех входных сигналах разомкнута и выход привязан к источнику питания. Однако симметрия схемы нарушена. Если все транзисторы в схеме имеют одинаковое выходное сопротивление R0, то выходное сопротивление схемы в зависимости от входных сигналов принимает одно из трех значений: 2R0 при X1 = X2= 0, R0 при одном единичном сигнале, R0/2 при X1 = X2= 1. Уменьшая сопротивления транзисторов, включенных по-

123

следовательно (p-МОП) можно снизить асимметрию схемы по выходному сопротивлению.

Для выполнения более сложных логических функций можно воспользоваться теоремой де Моргана:

Первая формула фактически реализована в рассмотренной схеме NOR2: входные сигналы для p-МОП действуют, как проинвертированные входные, а выход n-МОП проинвертирован по отношению ко входным сигналам. Вторая формула позволит построить КМОП-схему NAND2, если n- МОП соединить последовательно, а p-МОП параллельно (рис.1.7,а).

Рис.1.7. Логические КМОП-элементы: а – 2И-НЕ – NAND2; б – логическая функция задана в дизъюнктивной нормальной форме; в – логическая функция задана в конъюнктивной нормальной форме.

Обе схемы NOR2 и NAND2 состоят из двух блоков, которые разделены выходным узлом. Блок, содержащий n-МОП, размещен между выходным узлом и узлом с нулевым потенциалом. Блок, содержащий p- МОП, размещен между узлом напряжения питания и выходным узлом. Причем затворы всех МОП соединены со входами схемы.

Проанализируем два более сложных логических КМОП-элемента (рис.1.7,б и рис.1.7,в): один выполняет отрицание логической функции, заданной в дизъюнктивной нормальной форме (логическая сумма логических произведений – дизъюнкция конъюнкций), другой –отрицание логической функции, заданной в конъюнктивной нормальной форме (логическая произведение логических сумм – конъюнкция дизъюнкций). В обеих

124

схемах каждой цепи последовательных n-МОП, подсоединенных к некоторым входам, соответствует параллельная ветвь p-МОП, подсоединенных к тем же входам, и наоборот. Блоки КМОП-схемы, удовлетворяющие такому правилу, называют комплементарными.

Следование сформулированным правилам позволяет строить непотребляющие логические КМОП-элементы любой степени сложности. Для этого достаточно построить одну часть схемы (на n-МОП или на p- МОП) и дополнить ее комплементарной.

1.5.Синтез КМОП-элементов

Впредыдущих разделах были приведены схемы четырех простейших КМОП-элементов: КМОП-ключа с парафазным управлением, инвертора NOT, вентиля NOR2, вентиля NAND2. Отметим, что любой из двух вентилей обладает логической полнотой, т.е. на его основе может быть реализована произвольная логическая схема. Обычно библиотека (набор стандартных элементов) гораздо обширней (рис.1.8).

Рис.1.8. Условные обозначения логических элементов простейшей библиотеки.

Расширение библиотеки сводится к синтезу новых (часто используемых) элементов, который может проходить на различных уровнях, в том числе на транзисторном и вентильном.

Транзисторный уровень. Примером транзисторного синтеза может служить синтез логических схем NOR3 и NAND3. Логическая схема NOR3 получается при добавлении третьего n-МОП параллельно двум имеющимся (см. рис.1.6,а) и третьего p-МОП последовательно с двумя имеющимися. Аналогично синтезируется NAND3.

126

При синтезе на транзисторном уровне требуется 12 МОП (4 МОП в двух инверторах и 8 МОП в схеме рис.1.7,б), рис.1.10,а. При синтезе XOR и в базисе NAND2 (рис.1.10,б) и в базисе NOR2 (рис.1.10,в) требуется 16 МОП, т.е. необходимо большее количество транзисторов при лучших нагрузочных способностях. При синтезе XOR c использованием КМОП-ключей требуется всего 8 МОП, но нагрузочные способности очень слабые. За счет увеличения количества транзисторов до 10 нагрузочные способности этого варианта могут быть улучшены.

128

2.1. Короткоканальный транзистор.

При минимальной длине канала он становится сравнимым с шириной области обеднения стокового p–n-перехода, электрическое поле в канале возрастает и в поведении транзисторов начинают оказывать влияние короткоканальные эффекты.

Основные отличия ВАХ коротококанальных транзисторов от длинноканальных, как это видно из рис2.1, состоят в следующем:

1)уменьшен тока насыщения;

2)насыщение наступает при более низких стоковых напряжении ях;

3)уменьшена крутизна – увеличено выходное сопротивление в линейной области;

4)уменьшено выходное сопротивление в насыщении.

Эти отличия обусловлены прежде всего ограничением подвижности носителей при увеличении напряжении на стоке, вызванным высоким уровнем легирования канала и большим вертикальным (создаваемым напряжением на затворе) электрическим полем. Так, для типового 0,25 мкм n-МОП подвижность носителей уменьшается в два раза уже при напряжении на стоке, равном примерно половине напряжения питания (2,5 В / 2).

Имеют место и другие проявления короткоканальных эффектов: зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке, возрастание токов утечки, модуляция длины канала снижением барьера в канале и др.

Учет основных изменений в короткоканальных транзисторах, существенно влияющих на поведение цифровых элементов, требует усложнения ранее введенной модели МОП-транзистора. Наиболее простой способ коррекции состоит в введении нового независимого параметра – напряжения насыщения VDSat.

Выходная ВАХ короткоканального транзистора записывается в виде

где β = (W/L) k = (W/L) µ Cox – крутизна МОП-транзистора; k = µ Cox – удельная крутизна МОП-транзистора; V0 = (VG – Vt)– эффективное на-

пряжение; Vmin = min(V0, VD, VDSat).

Отметим, что подвижность µ короткоканального транзистора может отличаться от подвижности длинноканального транзистора, а значит отличаются k и β.

Формула (2.1) преобразуется в формулу для длинноканальных транзисторов, если положить V0 = VD = VDSat, т.е. вернуть напряжение насыщения в точку перехода от линейного режима к режиму насыщения. Фактически у короткоканальных транзисторов насыщение происходит

129

раньше, чем у длинноканальных. Но оно обусловлено не перекрытием канала, а ограничением скорости носителей и отличается более плавным характером.

Видоизменение модели эквивалентно введению нового режима – режима ограничения скорости (рис.2.2).

Рис.2.2 Режимы работы короткоканального транзистора.

2.2. Передаточная характеристика инвертора

Выходные ВАХ n-МОП и p-МОП позволяют построить передаточную характеристику инвертора на короткоканальных транзисторах (рис.2.3) аналогично тому, как это сделано ранее для инвертора на длинноканальных транзисторах (см. ч.1, гл. 4).

Передаточная характеристика позволяет определить рабочий диапазон инвертора, зависящий от предъявляемых к схеме требований.

Основными параметрами передаточной характеристики являются:

1)напряжение переключения;

2)максимальное нулевое входное напряжение;

3)минимальное единичное входное напряжение;

4)максимальное нулевое выходное напряжение;

5)минимальное единичное выходное напряжение.