MOS管知识|传输管TG原理及组合逻辑延时分析-KIA MOS管

传输管TG原理及组合逻辑延时

MOS，即场效应管，四端器件，S、D、G、B四个端口可以实现开和关的逻辑状态，进而实现基本的逻辑门。

NMOS和PMOS具有明显的对偶特性：NMOS高电平打开（默认为增强型，使用的是硅栅自对准工艺，耗尽型器件这里不涉及），PMOS低电平打开。在忽略方向的情况下，采用共S极接法，有如下特性：

第一张图是Vds随Vgs变化的情况，用于描述开关特性。后面的逻辑分析一般基于这个原理。第二张图是Ids随Vds变化的情况的简图，用于描述MOS的静态特性。

MOS的静态特性由两个区域决定：线性区和饱和区。前者一般是动态功耗的主要原因，后者是静态电压摆幅的决定因素。

线性区有：Id=μCoxW/L［（Vgs-Vth）Vds-1/2Vds^2］

饱和区有：Id=1/2μCoxW/L（Vgs-Vth）^2

后面的MOS器件一般基于这两个区域的电学特性来分析总体的电学特性。电压摆幅、面积、噪声容限、功耗、延时基本上都是源自这个区域的原理。

CMOS电路及其改进

（1）最基本的CMOS电路--反相器

这里是反相器的版图草图及电路草图，用于描述反相器的版图位置和逻辑关系。反相器的功能很简单，就是将Vout输出为Vin的反向。

从功耗上看：PMOS和NMOS静态不存在同时导通，即无静态功耗。由于NMOS和PMOS关断的延时，存在动态功耗。

从电压摆幅上看：NMOS可以将Vout拉到L0（逻辑0），PMOS可以将Vout拉到L1，可以保证全电压摆幅。

从面积上看：PMOS和NMOS各一个，标准的CMOS面积，其他电路的面积以其为参考。

从噪声容限上看：CMOS的标准噪声容限，以其为参考对比其他电路。

从延时看：取决于MOS管的工艺，也是其他电路延时的参考。

（2）与门和或门的CMOS实现

使用CMOS实现逻辑，需要的理解上拉网络和下拉网络：

上拉网络：标准CMOS中采用PMOS组成上拉网络，负责实现L1的电压。下拉网络：标准CMOS中采用NMOS组成下拉网络，负责实现L0的电压。

CMOS中，通过上拉网络和下拉网络的互斥来保证静态下无直通电流，即上拉网络和下拉网络的导通状态总是相反。这意味着上拉网络和下拉网络存在对偶关系---串联对并联。

再关注一个网络的导通关系：串联的NMOS需要两个输入均为L1，输出才能完成下拉L0，即Y=AB，不完全与逻辑。

并联的PMOS需要两个输入均为L0，输出才能不完成下拉L0，即Y=A+B，不完全或逻辑。

所以，CMOS的与逻辑和或逻辑如下：

由于以NMOS为串并联参考，所以构建的逻辑需要取非。这个相对于反相器而言，主要是拓展了N网络和P网络，这是后面改进及CMOS与其他电路组合的基础。

TG及其改进

（1）传输管逻辑

传输管和传输门的区别在于否是有全电压摆幅，其实现的逻辑功能是一致的。

可以看到，传输管实现逻辑的关系还是串联和并联，并且串联为与，并联为或，需要使用保护电路防止悬空。输出的逻辑与输入的信号有关，这可以作为可编程的电路的单元。

（2）TG逻辑的改进

TG逻辑的改进还是专注于去除PMOS。根据反向输入的NMOS等于PMOS的思路，如上图3中的结构，可以将PMOS替代。可以看到的传输管不能无损传输，信号需要使用反相器恢复稳定。

组合逻辑分析

（1）电压摆幅

电平需要能够维持在L1和L0两个状态区间内，一旦混乱，就会出现逻辑错误。一般来说，可以使用电平恢复电路维持电压（一个反相器与PMOS构成的电平恢复）。对于长的逻辑链，需要加入BUFF来维持电压（这点在传输管中尤为重要）。

（2）逻辑延时

逻辑延时：这部分是分析组合电路的延时的，采用的反相器为标准的估算方法（软件可以实测，但是设计时需要估值），专业词汇叫逻辑努力。

标准反相器链的延时T=tp0+tp0*f，其中tp0是空载延时，f是扇出。f=Cout/Cin，在同尺寸的反相器串联时，f=1，并联时f=N，N为下一级并联的个数。

常用术语FO4即是扇出为4的设计。对于不同的反相器，则需要使用具体的计算得到比例。反相器链采用f=F^（1/N）的优化规则优化。

基于反相器链，可以推导CMOS门链的延时：

反相器常用P:N的W/L为2：1（综合面积，速度，噪声，功耗的考虑值），以此为基准可以推出同等最优尺寸的与非门尺寸为2：2：2：2，或非门尺寸为4：4：1：1，推算原则就是串联翻倍，并联不变的最优尺寸等效规则。

然后是CMOS门的延时：d=p+gh，p为基准延时tp0的倍数，g为电学努力，h为逻辑努力。

以与非门为例，得出下面的参数：

p=2（等效两个理想反相器），g=4/3（A=2+2，B=2+2），h=Cout/Cin（单链，如果有分支，加上b这个参数，即下一级的负载数）。

优化的方法也是一样的，使得f=F^（1/N），即可实现最优延时。f=gh，F=GBH，大写即为连乘的小写。

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