Для магистратуры / CMOS_IC
.pdfВ.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.