Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
181
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
11.71 Mб
Скачать

В.В. Ракитин

Интегральные схемы на KМОП-транзисторах

Учебное пособие

Москва 2007

1

Все права защищены. Никакая часть этого пособия не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, магнитную запись или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения автора.

© В.В. Ракитин, 2007

2

Аннотация

В пособии рассмотрены интегральные схемы на КМОП транзисторах. Пособие состоит из трех частей: первая посвящена аналоговым, вторая – цифровым КМОП ИС, третья – аналогово-цифровым КМОП ИС. Описаны физико-технологические и конструктивно-топологические особенности КМОП-приборов и элементов на их основе. Приведены типовые схемотехнические решения, проведен расчет основных характеристик различных элементов, изложена методология проектирования КМОП ИС.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, изучающих микроэлектронику, и может быть полезно широкому кругу специалистов, занимающихся разработкой ИС.

3

Содержание

 

Предисловие .......................................................................................

8

Часть 1. Аналоговые КМОП ИС.............................................................

9

Глава 1. Введение в аналоговые КМОП ИС....................................

9

1.1. Элементарная модель МОП транзистора................................

10

1.2. Простейшие КМОП-усилители................................................

11

Глава 2. Основы теории КМОП.......................................................

14

2.1. Конструкция КМОП..................................................................

14

2.2. Принцип работы и характеристики МОП...............................

15

2.2.1. Пороговое напряжение МОП...........................................

15

2.2.2. Вольт-амперная характеристика...................................

17

2.2.3. Малосигнальные параметры:...........................................

20

2.2.4. Максимальное усиление МОП...........................................

22

2.2.5. Динамические параметры МОП......................................

23

2.2.6. Эквивалентная схема........................................................

25

2.2.7. Максимальное быстродействие......................................

25

2.2.8. Температурная зависимость ...........................................

25

2.2.9. Шумы МОП-транзисторов..............................................

26

2.3. Биполярные элементы...............................................................

26

2.3.1. Диоды..................................................................................

26

2.3.2. Биполярные транзисторы................................................

27

2.3.3. Тиристоры..........................................................................

27

2.4. Пассивные элементы.................................................................

29

2.4.1. Резисторы..........................................................................

29

2.4.2. Конденсаторы ...................................................................

30

Глава 3. Маршрут и топология КМОП...........................................

33

3.1. Технологический маршрут КМОП..........................................

33

3.2 Проектирование топологии КМОП. .........................................

37

3.3. Основные топологии КМОП приборов...................................

41

3.3.1. МОП-транзисторы...........................................................

41

3.3.2. Резисторы..........................................................................

42

3.3.3. Конденсаторы ...................................................................

43

3.4. Согласование параметров приборов........................................

44

Глава 4. Однокаскадные КМОП усилители..................................

47

4.1. Комплементарный КМОП инвертор........................................

47

4.1.1. Передаточная характеристика.......................................

47

4.1.2. Коэффициент усиления.....................................................

50

4.1.3. Коэффициент нелинейности............................................

51

4.1.4. Рабочий диапазон..............................................................

51

4.1.5. Выходная ВАХ....................................................................

52

4.1.6. Потребляемый ток...........................................................

53

4.1.7. Частотная характеристика ...........................................

54

4

4.1.8. Входной и выходной импедансы.......................................

54

4.2. Простые КМОП усилители......................................................

55

4.2.1. Токовое зеркало.................................................................

55

4.2.2. Усилитель с общим истоком...........................................

56

4.2.3. Усилитель с общим стоком.............................................

57

4.2.4. Усилитель с общим затвором..........................................

57

4.3. Каскодный усилитель...............................................................

59

Глава 5. Дифференциальный усилитель........................................

62

Глава 6. Частотные характеристики усилителей.........................

68

6.1. Методы расчета частотных характеристик.............................

68

6.2. Частотные характеристики простейших усилителей.............

69

6.2.1. ЧХ усилителя с общим истоком......................................

69

6.2.2. ЧХ дифференциального усилителя..................................

72

Глава 7. Шумы в КМОП схемах. .....................................................

75

7.1. Линейные преобразования шумов МОП-транзисторов.........

75

7.2 Шумы в простейших усилителях .............................................

76

7.2.1. Шумы усилителя с общим истоком................................

77

7.2.2.Шумы дифференциального усилителя.............................

78

Глава 8. Выходные усилители..........................................................

80

8.1. Особенности выходных усилителей........................................

80

8.2. Выходной истоковый повторитель..........................................

81

8.3. Парафазные усилители.............................................................

82

8.3.1. Парафазные истоковые повторители............................

82

8.3.2. Парафазные усилители с общим истоком.....................

83

8.3.3. Парафазный усилитель с обратной связью....................

84

Глава 9. Источники тока и напряжения ........................................

85

9.1. Токовое зеркало.......................................................................

85

9.2 Токовое зеркало с расширенным диапазоном....................

88

9.3. Стабилизированные источники тока и напряжения.......

91

9.4. Источник опорного напряжения..........................................

95

Глава 10. Операционные усилители (ОУ)......................................

97

10.1. Структура и параметры операционных усилителей............

97

10.2. Двухкаскадный ОУ.................................................................

98

10.2.1. Коэффициент усиления..................................................

99

10.2.2. Быстродействие ОУ.....................................................

100

10.3. Методы компенсации ОУ.....................................................

103

10.3.1. Компенсация Миллера...................................................

104

10.3.2. Компенсация Миллера с обнуляющим резистором....

105

10.4. Методика проектирования двухкаскадного усилителя (ОТУ)

.........................................................................................................

106

10.4.1. Исходные требования ...................................................

106

10.4.2. Последовательность этапов проектирования : .........

107

5

10.5. Однокаскадные ОТУ..........................................................

109

10.6. Полностью дифференциальные ОТУ..............................

113

Часть 2. Цифровые КМОП ИС............................................................

117

Глава 1. Введение в проектирование цифровых КМОП ИС....

117

1.1. Переключательная модель МОП-транзистора......................

117

1.2. КМОП-ключи...........................................................................

118

1.3. КМОП-инверторы. ..................................................................

119

1.4. Логические КМОП-элементы.................................................

121

1.5. Синтез КМОП-элементов.......................................................

124

Глава 2. Инвертор.............................................................................

127

2.1. Короткоканальный транзистор...............................................

128

2.2. Передаточная характеристика инвертора..............................

129

2.3. Быстродействие инвертора.....................................................

133

2.4. Цепь инверторов......................................................................

135

2.5. Потребляемая мощность.........................................................

137

3. КМОП-вентили .............................................................................

138

3.1. Согласованные КМОП-вентили.............................................

138

3.2. Параметры быстродействия вентилей...................................

140

3.3. Эквивалентный инвертор........................................................

141

3.4 Варианты вентилей...................................................................

142

Глава 4. Комбинационные логические схемы.............................

144

4.1. Типовые комбинационные КМОП-схемы.............................

145

4.2. Сумматор..................................................................................

147

4.3. Модификации комбинационных логических схем...............

151

Глава 5. Проходные логические схемы.........................................

153

5.1. Однополярные проходные логические схемы......................

153

5.2. Комплементарные проходные логические схемы................

156

Глава 6. Динамические логические схемы...................................

160

6.1. Динамические логические элементы.....................................

160

6.2. Логические элементы типа домино.......................................

163

6.3. Динамические регистры сдвига.............................................

165

Глава 7. Последовательностные логические...............................

168

схемы...................................................................................................

168

7.1. Конечные автоматы и уравнения триггеров.........................

168

7.2. Тактовая система.....................................................................

170

7.3. Триггера на комбинационных вентилях................................

172

7.4. Однотактные синхронные триггеры......................................

173

7.5.Двухтактные триггеры.............................................................

175

Глава 8. Полупроводниковая память............................................

177

8.1. Архитектура ЗУ.......................................................................

178

8.2. Основные типы элементов памяти ........................................

182

8.3.Параметры элементов памяти.................................................

186

6

Глава 9. Специальные схемы.........................................................

188

9.1. Схемы ввода вывода...............................................................

188

9.2. Триггер Шмидта......................................................................

189

9.3. Компаратор..............................................................................

190

9.4. Управляемые генераторы.......................................................

192

9.5. Умножитель напряжения .......................................................

194

Глава 10. Межсоединения...............................................................

195

10.1 Электофизические параметры межсоединений ..................

195

10.2. Распространение сигналов...................................................

196

10.3. Перекрестные помехи...........................................................

198

10.4. Повторители..........................................................................

200

Глава 11. Методология проектирования......................................

202

11.1. Символьная топология .........................................................

203

11.2. Стандартные ячейки.............................................................

205

11.3. Вентильные матрицы............................................................

206

11.4. Программируемые матрицы ................................................

207

11.5. Программируемые пользователем матрицы.......................

208

Часть 3. Смешанные КМОП ИС........................................................

210

Глава 1. Введение в аналого-цифровые системы.......................

210

1.1. Дискретизация.......................................................................

211

1.2

Квантование............................................................................

215

1.3

Основные характеристики преобразователей..................

217

1.4

Требования к аналого-цифровым системам.....................

219

Глава 2. Активные фильтры..........................................................

221

2.1 Фильтр первого порядка......................................................

221

2.2. Фильтры второго порядка..................................................

222

2.3. Варианты НЧ фильтров......................................................

227

Глава 3. Gm-С фильтры...................................................................

231

3.1. Транскондуктивные усилители .........................................

231

3.2. Gm-С фильтры на транскондуктивных усилителях.......

237

Глава 4. Устройства выборки и хранения...................................

240

Глава 5. Фильтры на переключаемых .........................................

244

конденсаторах....................................................................................

244

5.1. Основные элементы на ПК.................................................

244

5.2. ПК-интеграторы....................................................................

246

5.3. Фильтры на ПК.....................................................................

250

Глава 6. Компараторы.....................................................................

253

6.1. Передаточные характеристики компараторов...............

253

6.2. Структура и параметры компараторов............................

254

6.3. Варианты компараторов.....................................................

257

Глава 7. Цифро-аналоговые преобразователи............................

262

7.1. Параллельные ЦАП .............................................................

262

7

7.2. Последовательные ЦАП.......................................................

268

7.3. Фильтрация выходного сигнала ЦАП. .............................

273

Глава 8. Аналогово-цифровые преобразователи. .......................

275

8.1 Параллельные АЦП...............................................................

276

8.2. АЦП с поразрядным взвешиванием..................................

279

8.3.Последовательные АЦП........................................................

280

8.4. Сравнение АЦП.....................................................................

283

Глава 9. Конвейерные АЦП. ...........................................................

285

Глава 10. Дельта-сигма преобразователи.....................................

289

10.1 Принцип работы ∆Σ-модулятора......................................

289

10.2. Варианты ∆Σ-модуляторов................................................

292

10.3. Цифровые фильтры............................................................

296

Заключение.........................................................................................

301

Приложение 1.....................................................................................

304

Перечень используемых обозначений..........................................

304

Приложение 2.....................................................................................

306

А Физические константы...............................................................

306

Б. Физические свойства кремния..................................................

306

Литература.........................................................................................

307

8

Предисловие

В настоящее время КМОП-технология занимает в микроэлектронике исключительное место, влияя на направление и темпы ее общего развития. Ее возможности многократно расширились при нынешнем разделении труда, когда появилась возможность разработать целую систему в виде интегральной схемы и затем заказать ее изготовление на специализированной полупроводниковой фабрике. Сама разработка КМОП ИС требует знаний в области физики и технологии кремниевых приборов, хорошего владения схемотехническими методами, включая анализ и расчет интегральных элементов и микроэлектронных устройств.

В основу пособия положены лекции, читаемые автором на протяжении многих лет студентам 4-го и 5-го курсов МФТИ в рамках курсов ”Аналоговые интегральные схемы” и ”Цифровые интегральные схемы”. Этим курсам в свою очередь предшествуют курсы: ”Радиотехника и схемотехника”, ”Физические основы микроэлектроники”, “Основы микроэлектронной технологии”, знание основ которых желательно.

Пособие состоит из трех частей: первая знакомит читателя с элементами аналоговых КМОП ИС, вторая с элементами цифровых ИС, а третья с аналогово-цифровыми (смешанными) схемами. В первой части пособия кратко изложены физико-технологические и конструктивнотопологические особенности КМОП-приборов. Описаны типовые схемотехнические решения от простейших КМОП-усилителей, вплоть до различных вариантов операционных усилителей, широко используемых в современных аналоговых и аналогово-цифровых устройствах. Во второй части подробно рассмотрены КМОП вентили и существующие системы КМОП логики. Приведены данные по элементам и архитектуре полупроводниковой памяти. Изложена методология проектирования цифровых КМОП ИС. В третьей части кратко описываются элементы аналоговоцифровых схем и архитектура ЦАП АЦП. Оценки параметров интегральных МОП-транзисторов и КМОП элементов выполнены с использованием САПР «Авокад».

Пособие дает читателю представление о современном состоянии КМОП-схемотехники, поможет ему в практической работе по проектированию микроэлектронных устройств, подготовит его к чтению научнотехнической литературы по данной тематике. Основной целью пособия является приобретение читателем знаний и навыков их использования в вопросах схемотехнического проектирования микроэлектронных систем.

9

Часть 1. Аналоговые КМОП ИС

Глава 1. Введение в аналоговые КМОП ИС

В настоящее время широкое распространение получили интегральные схемы (ИС) на основе транзисторов со структурой металл- диэлектрик-полупроводник (МДП). В кремниевых ИС диэлектриком служит оксид кремния и структура транзисторов – металл-оксид- полупроводник (МОП). МОП-транзисторы с каналом n-типа (n-МОП) и р- типа (р-МОП) проводимости взаимно дополняют друг друга и называют комплементарными (КМОП).

Условные обозначения n-канальных и p-канальных транзисторов, используемые в научно-технической литературе, приведены на рис.1.1.

Рис.1.1. Условные изображения МОП-транзисторов: а – несимметричное изображение (с указанием истока); б – симметричное изображение; в – несимметричное изображение с указанием электрода кармана; г – симметричное изображение с указанием электрода кармана

В зависимости от конструкции МОП содержат три (затвор G, исток S, сток D) электрода или (плюс электрод контакта к карману В) четыре. Если четвертый электрод на схеме не показан, то его подключение оговаривается отдельно. Как правило, карман n-МОП (p-типа проводимости) подсоединен к нулевому потенциалу, а карман p-МОП (n-типа проводимости) к источнику положительного питания VDD.

КМОП ИС обладают наилучшими эксплуатационными характеристиками и наиболее пригодны для реализации сложных микроэлектронных систем. Именно они являются предметом нашего рассмотрения.

Соседние файлы в папке Для магистратуры