CMOS静态特性
CMOS电路分析及工艺流程
02 03
详细描述
CMOS电路的噪声容限受多种因素影响，如电源电压、温度和工艺偏差 等。当电路受到超过其噪声容限的噪声干扰时，其性能将受到影响，甚 至可能导致功能失效。
解决方案
提高噪声容限的方法包括优化电路设计、增加电源滤波和采用更稳定的 制程技术等。
功耗问题
总结词
功耗问题是集成电路设计中必须考虑的重要因素之一，它涉及到芯片的散热和能效等问题 。
压力和流量控制
精确控制工艺过程中的气体压力和流量，以 保证工艺的稳定性和重复性。
时间控制
合理控制各工艺步骤的时间，以保证材料生 长和反应的充分进行。
清洁和环境控制
保持生产环境的清洁度，防止污染和杂质对 电路性能的影响。
04 CMOS工艺中的问题与解 决方案
寄生效应
总结词
寄生效应是指集成电路中不期望 有的额外元件或效应，会对电路
详细描述
CMOS电路的功耗主要包括静态功耗和动态功耗两部分。静态功耗是指电路在没有信号活 动时的功耗，而动态功耗则是在信号活动时产生的功耗。过高的功耗可能导致芯片发热、 可靠性下降和能耗增加等问题。
解决方案
降低功耗的方法包括优化电路设计、采用低功耗制程技术和采用电源管理技术等。此外， 对于移动设备和电池供电的应用，低功耗设计尤为重要。
制作材料
01
02
03
硅片
作为集成电路的基础材料， 硅片的质量和纯度对 CMOS电路的性能有着至 关重要的影响。
金属材料
用于互连和导电，常用的 金属材料包括铜、铝等。
介质材料
用于绝缘和隔离，如二氧 化硅、氮化硅等。
制作工艺流程
薄膜沉积
通过物理或化学方法在 硅片上沉积所需的薄膜， 如氧化硅、氮化硅等。
CMOS电路特性与参数
CMOS电路特性与参数CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补式金属氧化物半导体）是一种常见的集成电路技术。
它由一对互补的MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管）构成，具有高集成度、低功耗和高噪声抑制等优点。
在本文中，我们将探讨CMOS电路的特性和参数。
一、CMOS电路的基本特性CMOS电路采用了互补的nMOS和pMOS晶体管，使得在非导通状态下电流基本为零，从而实现了极低的静态功耗。
此外，由于nMOS和pMOS晶体管的互补作用，CMOS电路还具有较高的抗噪声性能和较宽的工作电压范围。
这些特性使得CMOS电路成为了现代集成电路设计的重要选择。
二、CMOS电路的关键参数1. 高电平（High Level，或简称"High"）和低电平（Low Level，或简称"Low"）电压：这两个参数定义了CMOS电路中表示逻辑状态的电压范围。
通常情况下，高电平电压应接近于供电电压（VDD），低电平电压应接近于地（GND）。
2. 阈值电压：阈值电压（Threshold Voltage）是指晶体管切换电流的参考电压。
对于nMOS晶体管，阈值电压为正值；对于pMOS晶体管，阈值电压为负值。
阈值电压决定了晶体管的导通和截止的条件。
3. 驱动能力：驱动能力（Drive Capability）是指CMOS电路对外部负载的驱动能力。
它通常由晶体管的截止电压和饱和电压确定。
高驱动能力可以保证信号在电路中的传输质量和速度。
4. 功耗：CMOS电路的功耗主要包括静态功耗和动态功耗。
静态功耗是指电路在静止状态下的功耗，主要由漏电流引起；动态功耗是指电路在切换状态时的功耗，主要由充电和放电电流引起。
降低功耗是CMOS电路设计的一个重要目标。
5. 速度：CMOS电路的速度取决于晶体管的开关速度和电路中的延迟。
晶体管的开关速度主要由其驱动能力和晶体管的尺寸确定；电路中的延迟主要由线路长度、传输门的个数等因素决定。
CMOS比较器(6)解读
M8 M6
Mb2 IREF2
Vout1
Vin Iss cloc k
Vout2
M1
M2
Vb1
M4 M b3
M9 M10
M7
M8
Mb1
M11
22
设计的前置放大器
AV
M7 M8 M10 M9
gM 4 gM 0 gM 1
Vom
clk M11
Vop
晶体管 M1,M2,M3,M4
尺寸W/L(m) 2u/180n 600n/180n 500n/180n 4u/300n 1u/180n
+ －
一部分失调电压。
回踢噪声的来源
12
开关电容比较器
在许多A/D转换系统应用中，输入端常会有一个采样保持电路。这样会使得
输入信号在采样时钟相位发生变化时才变化。这种应用的比较器可以采用开关电 容的结构，这是一种将开关电容电路和开环应用比较器相结合的电路。其特点是 可以采用单端结构的电路来比较差分信号，而且很方便使用自动校零技术来消除
VOSlatch
Out+
Latch
Out-
2 Input Re ferred Offset V
OSpreamp
1 2 VOSlatch 2 AV
增益越大越大越好？
预放大级减小比较器输入失调电压原理图
正反馈锁存器前边加一级预放大器，预放大器内部和输出端加载隔离电 路，使得其输出信号多次衰减后到达信号的输入端。加载的隔离电路越 多，回踢噪声衰减的就越大
再生锁存器结构
总的失调电压为 ：
2 V V
OS OS 1
1 2 V OS 2 Alatch
高二物理竞赛课件CMOS反相器的静态输入和输出特性
1. 与非门
2.或非门
带缓冲极的CMOS门
1、与非门
存在的缺点： (1) : 输 1则RO RON 2 RON 4 2RON
A
0, B
0则RO
RON1
//
RON 3
1 2
RON
A 0, B 1则RO RON1 RON
A 1, B 0则RO RON3 RON
1( T
t2
t1 iT dt
t4
t3 iT dt )
静态功耗极小，与动态功耗相比，可以忽略
三、动态功耗
3.总的动态功耗 PD PT PC
2.负载电容充放电功耗PC 当VI ,VDD经T 1向CL充电，有iP 当VI , CL经T 2放电，有iN 可得平均功耗
PC CL fVD2D
3.3.5 其他类型的CMOS门电路 一、其他逻辑功能的门电路
一、传输延迟时间 1.原因：CI和CL充放电，因为RON 较大所以CL充放电影响也较大 ; 2.tPHL , tPLH 受CL、VDD影响 ; 3.tPHL tPLH，74HC系列为10ns，74AHC系列为5ns。
二、交流噪声容限 三、动态功耗
1.导通功耗
PT
VDD ITAV , 其中ITAV
CMOS 反相器的静态输入 和输出特性
CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性
二、输出特性
1.低电平输出特性VOL f (IOL ) 同样的IOL下，VGS VOL
二、输出特性
1.高电平输出特性VOH f (IOH ) 同样的IOH下，VGS VOH 越少
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
(2)输出的高低电平受输入端数目的影响
输入端越多，VOL越高，VOH 也更高 (3)使T2、T4的VGS达到开启电压时， 对应的VI 值不同
4-反相器
before it does not recognize the input?
高电平噪声容限
Output Characteristics Logical High Output Range VDD Input Characteristics Logical High Input Range Indeterminate Region Logical Low Input Range
静态CMOS特性– static model(稳态)
Vswing=VDD , 高噪声容限? 有限输出电阻（典型值在
k欧数量级），反相器对 噪声和干扰不敏感
MOS管栅是绝缘体，稳
态输入电流几乎为零，理 论上其扇出为无穷大(实 际上要考虑瞬态特性)
No steady state DC path
钟控CMOS逻辑
State Key Lab of ASIC & Systems, Fudan University，Jinmei Lai
CMOS 反相器 VTC
V DD
Vout 2.5
G
V in
S D
NMOS 截止 PMOS 线性 NMOS 饱和 PMOS 线性 NMOS 饱和 PMOS 饱和 NMOS 线性 PMOS 饱和
r ＝1
V M 0 . 5V
CMOS电路：PMOS尺寸比NMOS尺寸要大 DD
State Key Lab of ASIC & Systems, Fudan University，Jinmei Lai
理想反相器定义
VM This is “ideality from a static point of view”
静态特性小结
要使数字电路能正确工作，噪声容限应该大于
5CMOS电路的电气特性和参数
LVC是低压CMOS逻辑系列的简称。工作电源电压为 （1.65~3.6V）；当VDD=5V时，tpd=3.8ns；输出高、低电平 时的最大负载电流达24mA。 ALVC系列是改进的LVC逻辑系列的简称。性能更加优越。 在诸多系列的CMOS电路产品中，只要产品型号最后的数 字相同，则它们的逻辑功能就是一样的；但它们的电气性能和 参数就各不相同了。 型号开头的“74”或“54”是TI公司产品的标志。 74——民用产品，工作环境温度为-40~850C 54 ——军用产品，工作环境温度为-55~1250C
3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应
1. 静电防护
为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端 都设置了输入保护电路。
2. 锁定效应 当CMOS电路的输入端或输出端出现 瞬时高压时，有可能使电路进入这样一种 状态，即电源至电路公共端之间有很大的 电流流过，输入端也失去了控制作用。
通过改进制造工艺，已经可以做到一 般情况下不会发生，但还不能绝对避免。
L 充、
放电产生的功耗 ；P
T：
瞬变功耗）
2 (C L C pd )VDD f
3. 各种系列CMOS数字集成电路的性能比较 4000系列：工作电压范围比较宽（3~18V），但存在着传 输延迟时间长（60~100ns）、负载能力弱的缺点。 HC/HCT系列是高速CMOS逻辑系列的简称。当VDD=5V时， tpd=10ns；输出高、低电平时的最大负载电流达4mA。 HC系列和HCT系列的区别在于：HC系列的工作电压范围 较宽（2~6V），但它的输入、输出电平和负载能力不能和TTL 电路兼容，适用于单纯由CMOS器件组成的系统中。而HCT系 列一般仅工作在5V电源电压下，在输入、输出电平和负载能力 上均可与TTL电路兼容，适用于由CMOS与TTL混合的系统中。 AHC/AHCT系列是改进的高速CMOS逻辑系列的简称。当 VDD=5V时，tpd=3ns左右；输出高、低电平时的最大负载电流 达8mA。
cmos反相器
0.5
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vin (V)
三CMOS反相器的性能：动态特性
图7
影响一对串联反相器动态特性的寄生电容
四 功耗，能量和能量延时
• 动态功耗 • 静态功耗
• 由冲放电电容引起的动态功耗
图8 由低至高翻转期间的等效电路
翻转期间从电源中取得的能量值EVDD如下所示：
翻转结束时在电容上存储的能量EC如下所示：
静态CMOS反相器的中点增益
求导并求解dVout/dVin得到：
忽略某些二次项并令Vin=VM,得到下面增益表达式：
• 稳定性
器件参数变化
2.5
2
器 件 参 数 变 化 对 静 态 CMOS 好的PMOS 坏的 NMOS
1.5
Vout(V)
Nominal
1
好的NMOS 坏的 PMOS
反 相 器 VCT 的 影 响 图6
计算平均功耗为：
（a）大电容负载
（b）小电容负载
图11 负载电容对短路电流的影 响
图12 CMOS反相器通过NMOS晶体管的短路电 流与负载电容的关系（输入斜率固定为500ps）
• 静态功耗
图13 CMOS反相器中泄漏电流的来源（Vin=0V）
图14 VGS＝0时降低阈值会使亚阈值电流增加
小结
• 静态CMOS反相器把一个上拉的PMOS器件和一个下拉的 NMOS器件组合在一起。 • 该门具有几乎理想的电压传输特性。 • 它的传输延时主要由充放电负载电容CL所需要的时间决定。 使负载电容保持较小是实现高性能电路的最有效手段。 • 功耗主要是由在充电和放电负载电容时消耗的动态功耗决 定的。 • 是工艺尺寸变小是减小一个门的面积，传播延时以及功耗 的有效手段。 • 互连线的影响将在总延时和总性能中逐渐占有更大的比例。
CMOS集成电路的性能及特点
CMOS集成电路的性能及特点1、功耗低CMOS集成电路采用场效应管，而且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。
实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。
单个门电路的功耗典型值仅为20uW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几个mW。
2、工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。
国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。
3、逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电源低电位VSS。
当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。
因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。
4、抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。
随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。
对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。
5、输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄荷电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。
6、温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。
一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 ~ +125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。
7、扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。
由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。
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MOS器件的静态分析
院系：电子工程学院
专业班级：集电0903
姓名：郑燕燕
学号：04096096（26）
日期：2012年5月7日
摘要 (2)
一、实验目的 (4)
二、实验内容 (4)
三、实验过程 (4)
3.1 NMOS器件原理图设计 (4)
3.2 CMOS器件的静态分析与模拟 (5)
3.3 MOS器件的输出结果显示 (6)
四、实验小结 (6)
摘要
一、实验目的
1、熟悉并掌握Tanner Pro仿真工具的使用，能够进行较简单
的器件仿真。
2、分析MOS器件的工作原理并进行单个MOS器件的静态分析。
二、实验内容
熟悉了Tanner Pro软件的使用方法后，在S_Edit中画出单个CMOS器件（NMOS或PMOS），然后在T-Spice中生成对应的网表并对输入及输出进行处理，最终获得其静态特性曲线再加以分析。
三、实验过程
3.1 NMOS器件原理图设计
CMOS器件是一个四端器件，夹在栅端的电压决定了源端与漏端之间有多少电路流过。
从最浅显的观点看，可以把MOS器件看成是一个开关。
当栅压大于阈值电压时，在漏端和源端之间就形成了一导电沟道。
当漏端和源端之间存在电压差时，电流就会在它们之间流动。
其电路图如下：
其原理图编辑如下：
3.2 CMOS器件的静态分析与模拟
在S_Edit中只需画出待测MOS器件即可，然后在T_Spice 中生成对应的网表，这时，一些待测量的值的设定十分重要。
主要包括：栅源电压Vgs的线性变化以及漏源电压Vds的线性变换。
由于CMOS静态分析主要是观察器件电流随电压值的变化曲线，所以，需对器件电流进行波形的仿真。
仿真程序如下：
3.3 MOS器件的输出结果显示
横坐标为Vds，横坐标为器件电流Ids：
四、实验小结。