數(shù)字電路之MOS設計

1、MOS的基本性質(zhì)

MOS，即場效應管，四端器件，S、D、G、B四個端口可以實現(xiàn)開和關的邏輯狀態(tài)，進而實現(xiàn)基本的邏輯門。NMOS和PMOS具有明顯的對偶特性：NMOS高電平打開（默認為增強型，使用的是硅柵自對準工藝，耗盡型器件這里不涉及），PMOS低電平打開。在忽略方向的情況下，采用共S極接法，有如下特性：

第一張圖是Vds隨Vgs變化的情況，用于描述開關特性。后面的邏輯分析一般基于這個原理。

第二張圖是Ids隨Vds變化的情況的簡圖，用于描述MOS的靜態(tài)特性。

MOS的靜態(tài)特性由兩個區(qū)域決定：線性區(qū)和飽和區(qū)。

前者一般是動態(tài)功耗的主要原因，后者是靜態(tài)電壓擺幅的決定因素。

線性區(qū)有：Id=μCoxW/L[(Vgs-Vth)Vds-1/2Vds^2]

飽和區(qū)有：Id=1/2μCoxW/L(Vgs-Vth)^2

后面的MOS器件一般基于這兩個區(qū)域的電學特性來分析總體的電學特性。電壓擺幅、面積、噪聲容限、功耗、延時基本上都是源自這個區(qū)域的原理。

2、CMOS電路及其改進

（1）最基本的CMOS電路--反相器

這里是反相器的版圖草圖及電路草圖，用于描述反相器的版圖位置和邏輯關系。

反相器的功能很簡單，就是將Vout輸出為Vin的反向。

從功耗上看：PMOS和NMOS靜態(tài)不存在同時導通，即無靜態(tài)功耗。由于NMOS和PMOS關斷的延時，存在動態(tài)功耗。

從電壓擺幅上看：NMOS可以將Vout拉到L0（邏輯0），PMOS可以將Vout拉到L1，可以保證全電壓擺幅。

從面積上看：PMOS和NMOS各一個，標準的CMOS面積，其他電路的面積以其為參考。

從噪聲容限上看：CMOS的標準噪聲容限，以其為參考對比其他電路。

從延時看：取決于MOS管的工藝，也是其他電路延時的參考。

小知識：噪聲容限的定義

圖中g代表斜率，兩個噪聲容限在對稱情況下一般相等，有些特殊的設計需要不對稱的噪聲容限?？梢钥吹剑肼暼菹拊酱?，反相器變化越快，響應速度越快。

（2）與門和或門的CMOS實現(xiàn)

使用CMOS實現(xiàn)邏輯，需要的理解上拉網(wǎng)絡和下拉網(wǎng)絡：

上拉網(wǎng)絡：標準CMOS中采用PMOS組成上拉網(wǎng)絡，負責實現(xiàn)L1的電壓。

下拉網(wǎng)絡：標準CMOS中采用NMOS組成下拉網(wǎng)絡，負責實現(xiàn)L0的電壓。

CMOS中，通過上拉網(wǎng)絡和下拉網(wǎng)絡的互斥來保證靜態(tài)下無直通電流，即上拉網(wǎng)絡和下拉網(wǎng)絡的導通狀態(tài)總是相反。這意味著上拉網(wǎng)絡和下拉網(wǎng)絡存在對偶關系---串聯(lián)對并聯(lián)。

再關注一個網(wǎng)絡的導通關系：

串聯(lián)的NMOS需要兩個輸入均為L1，輸出才能完成下拉L0，即Y=AB，不完全與邏輯。

并聯(lián)的PMOS需要兩個輸入均為L0，輸出才能不完成下拉L0，即Y=A+B，不完全或邏輯。

所以，CMOS的與邏輯和或邏輯如下：

由于以NMOS為串并聯(lián)參考，所以構建的邏輯需要取非。

這個相對于反相器而言，主要是拓展了N網(wǎng)絡和P網(wǎng)絡，這是后面改進及CMOS與其他電路組合的基礎。

由于篇幅問題，這里不再詳細描述該電路的特性，只是補充一下扇入和延時之間的關系。

以與非門為例：

A連的MOS（暫稱MA）的有源區(qū)S不是接地，即Vs被抬高（在Vb=0）。Vth將會隨之變高，導致導通所需時間增加，增加延時。這就是扇入為2的狀態(tài)。一般來說，扇入不宜超過4，否則延時會快速增加。

（3）CMOS改進

CMOS的改進方針就是減少或去除PMOS，主要的思路如下：

使用電阻（或者類似電阻功能的器件如恒通MOS管）替代PMOS。問題：下拉時為有比電路，需要設計管子尺寸以保證達到L0的電壓要求。

使用差分信號驅(qū)動NMOS代替PMOS。問題：會多一組反相器和與原來PMOS相當?shù)腘MOS。

使用DCVSL結構實現(xiàn)CMOS。動態(tài)過程中為有比電路，需要設計PMOS的尺寸。

前面兩種比較好理解，就不過多說明了，主要關注第三種結構DCVSL的實現(xiàn)原理。

DCVSL，全名差分級聯(lián)電壓開關邏輯，用兩個PMOS和兩個對偶的互斥輸入的NMOS實現(xiàn)邏輯功能，具有使用少量PMOS的優(yōu)點，支持差分輸出。

這就是DCVSL的結構，下面的兩個N網(wǎng)絡輸出為互斥的信號，通過上面兩個PMOS的加強實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定?；驹硎窍旅鎯蓚€N網(wǎng)絡總會有一個導通，輸出L0，L0使得上面兩個PMOS中一個導通，抬高另外一個PMOS的輸入使其關閉，實現(xiàn)信號的穩(wěn)定。實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的過程為有比電路，存在穩(wěn)定延時。

這個電路與直接使用差分信號輸入一個上拉網(wǎng)絡為NMOS的結構的區(qū)別（也就是第二種思路）的區(qū)別在于無需承受上拉NMOS帶來的電壓擺幅的損失。

3、TG及其改進

（1）傳輸管邏輯

傳輸管和傳輸門的區(qū)別在于否是有全電壓擺幅，其實現(xiàn)的邏輯功能是一致的。

可以看到，傳輸管實現(xiàn)邏輯的關系還是串聯(lián)和并聯(lián)，并且串聯(lián)為與，并聯(lián)為或，需要使用保護電路防止懸空。輸出的邏輯與輸入的信號有關，這可以作為可編程的電路的單元。

（2）TG邏輯的改進

TG邏輯的改進還是專注于去除PMOS。根據(jù)反向輸入的NMOS等于PMOS的思路，如上圖3中的結構，可以將PMOS替代?？梢钥吹降膫鬏敼懿荒軣o損傳輸，信號需要使用反相器恢復穩(wěn)定。

4、動態(tài)電路

靜態(tài)電路需要保持上拉和下拉電路一直互斥，存在動態(tài)損耗。

動態(tài)電路的思路則是使用時鐘信號保證上下電路互斥，這樣只需要一個網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)目標功能。圖中是下拉N網(wǎng)絡的電路，還可以使用上拉P網(wǎng)絡實現(xiàn)，兩者的級聯(lián)要求正好對偶，可以間隔連接。這就是動態(tài)電路的級聯(lián)的形式一PN連接。還有一種方式就是使用多米諾電路，就是在同N或者同P之間使用反相器保證動態(tài)電路預充正確。

接下來說明動態(tài)電路的工作方式：

預充-求值

在CLK=0時，P導通，輸出預充到1；

在CLK=1時，N導通，讀取N網(wǎng)絡的導通狀態(tài)，決定求值為0或者1；

一次預充求值完成后即實現(xiàn)邏輯輸出。

問題：求值時輸入不能發(fā)生改變，否則會出現(xiàn)邏輯x，這意味著動態(tài)電路多與時序電路聯(lián)合使用，構成流水線。

問題：電容存儲電荷實現(xiàn)電平存在損耗，需要CLK不斷刷新。

動態(tài)電路的優(yōu)化：

第一級動態(tài)電路CLK需要P和N兩個MOS管，對于第二級動態(tài)電路，預充時已知某個信號為0（多米諾為0，PN連接為1），如果輸入邏輯為與或者可以保證網(wǎng)絡關閉，則可以節(jié)約一個網(wǎng)絡控制MOS管。

5、組合邏輯分析

（1）電壓擺幅

電平需要能夠維持在L1和L0兩個狀態(tài)區(qū)間內(nèi)，一旦混亂，就會出現(xiàn)邏輯錯誤。一般來說，可以使用電平恢復電路維持電壓（一個反相器與PMOS構成的電平恢復）。對于長的邏輯鏈，需要加入BUFF來維持電壓（這點在傳輸管中尤為重要）。

（2）邏輯延時

這部分是分析組合電路的延時的，采用的反相器為標準的估算方法（軟件可以實測，但是設計時需要估值），專業(yè)詞匯叫邏輯努力。

標準反相器鏈的延時T=tp0+tp0*f，其中tp0是空載延時，f是扇出。f=Cout/Cin,在同尺寸的反相器串聯(lián)時，f=1，并聯(lián)時f=N，N為下一級并聯(lián)的個數(shù)。常用術語FO4即是扇出為4的設計。對于不同的

反相器，則需要使用具體的計算得到比例。反相器鏈采用f=F^(1/N)的優(yōu)化規(guī)則優(yōu)化。

基于反相器鏈，可以推導CMOS門鏈的延時：

反相器常用P:N的W/L為2：1（綜合面積，速度，噪聲，功耗的考慮值），以此為基準可以推出同等最優(yōu)尺寸的與非門尺寸為2：2：2：2，或非門尺寸為4：4：1：1，推算原則就是串聯(lián)翻倍，并聯(lián)不變的最優(yōu)尺寸等效規(guī)則。

然后是CMOS門的延時：d=p+gh，p為基準延時tp0的倍數(shù)，g為電學努力，h為邏輯努力。

以與非門為例，得出下面的參數(shù)：

p=2（等效兩個理想反相器），g=4/3(A=2+2,B=2+2),h=Cout/Cin(單鏈，如果有分支，加上b這個參數(shù)，即下一級的負載數(shù)）。

優(yōu)化的方法也是一樣的，使得f=F^(1/N),即可實現(xiàn)最優(yōu)延時。f=gh，F(xiàn)=GBH，大寫即為連乘的小寫。

6、鎖存器

限于篇幅，這里不再再畫圖，大致解釋一下鎖存器的結構：

類似一個時鐘控制開關（一般使用傳輸門作為開關），時鐘打開開關時讀取數(shù)據(jù)，關閉時鎖存數(shù)據(jù)。通過時鐘信號實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)（理想情況下為半個周期）與輸入隔離。

7、觸發(fā)器

由兩個鎖存器和中間一個存儲單元（一般是首尾相連的反相器）組成。鎖存器的鎖存時間相反，輸入端鎖存器打開時存入數(shù)據(jù)，鎖存時讀出數(shù)據(jù)。與鎖存器整個時鐘周期都在鎖存依靠電平不同，觸發(fā)器依靠時鐘的上升和下降實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，且輸出整個時鐘周期不發(fā)生改變。

8、時序邏輯分析

建立時間：數(shù)據(jù)需要提前于時鐘沿的時間，

保持時間：數(shù)據(jù)需要在時鐘沿到來后保持的時間。

傳輸時間：數(shù)據(jù)從存儲單元傳輸?shù)捷敵鏊璧臅r間。

具體的分析是復雜的，但是基本的原理是清晰的。建立時間是為了保證數(shù)據(jù)能夠存入存儲單元。保持時間是保證數(shù)據(jù)能度過時鐘觸發(fā)所需的延時。傳輸時間是保證存儲單元數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)捷敵觥?/p>

具體的時序分析是很復雜的，需要考慮許多參數(shù)，如時鐘的抖動和歪斜。一般這些參數(shù)都是計算好的，使用者只需根據(jù)計算值設計相應的滿足條件即可?；镜男薷姆椒ㄊ牵?/p>

對于關鍵路徑，建立時間不足降低時鐘頻率，保持時間不足加BUFF。

至于如何修改建立時間和保持時間，那是電路結構的問題，需要設計更加合理的電路。常用的電路結構為C^2MOS結構，即將時鐘和反相器組合成的MOS時序電路，有興趣可以查一下。這個結構可以和多米諾組成流水線的結構。

9、功能模塊

加法器、乘法器、多路選擇器、移位寄存器、存儲器等具有特定邏輯功能的電路所需的是邏輯設計，學習過數(shù)字電路的都不會陌生（存儲器就是基于存儲單元的讀寫DRAM和基于電容的SRAM），這里已經(jīng)到了module層次了。這個層次的設計已經(jīng)可以使用verilog快捷的實現(xiàn)了。優(yōu)化也可以基于verilog來調(diào)試優(yōu)化每個門的位置和數(shù)量。

10、總結

本文從MOS管開始，基本詳細地介紹了CMOS的原理，傳輸管TG的原理、動態(tài)電路的結構、組合邏輯延時的分析，簡略地介紹了鎖存器、觸發(fā)器及時序電路的分析，聯(lián)系到了模塊層次的數(shù)字電路設計，粗淺地介紹了數(shù)字電路設計的各個層次，為以后提高數(shù)字電路設計能力打下了一定的基礎。

審核編輯：湯梓紅