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标题 CMOS晶体管宽长比计算一题多解探讨
范文

    王晓华 赵倩

    摘 要: CMOS晶体管的宽长比是集成电路设计中非常重要的一个参数。《集成电路设计基础》课程教学中分析了经典CMOS电路中设计宽长比计算的基本原理。本文运用黑盒子法分析计算CMOS电路中晶体管的宽长比,提出支路分析法,并对两种分析方法进行对比讨论。集成电路设计中可以根据实际情况选择不同分析方法。

    关键词: 宽长比;黑盒子法;支路法

    中图分类号: G642 文献标识码: C

    CMOS晶体管宽长比是NMOS/PMOS管的沟道宽度与沟道长度的比值,它是集成电路设计中非常重要的一个参数,对电路的速度、功耗、延时以及输出波形的上升/下降时间都有重要的影响[1-3]。

    《集成电路设计基础》課程大纲中规定必须熟练掌握CMOS晶体管宽长比计算。在CMOS组合逻辑电路中n个MOS管并联,其宽长比通常保持与等效倒相器中对应的MOS管一致,而n个MOS管串联,其宽长比应变为等效倒相器中对应的MOS管的n倍[4]。

    如图1所示电路中,等效倒相器中PMOS管的宽长比为2,NMOS管的宽长比为1, 为保持上升下降时间与等效倒相器相同,求图中各MOS管的宽长比[4]。

    对于此类型的CMOS组合逻辑电路可以采用黑盒子法或支路法分析解决。

    1 黑盒子法

    3 分析讨论

    综上所属,黑盒子法分析得到的所有MOS管的宽长比之和为:1+2+4*5+4*2+3*8+16*2=87;

    支路法1(关键支路L5)得到的所有MOS管的宽长比之和为: 1+3*6+4*6+12*2+3=70;

    支路法2(关键支路L6)得到的所有MOS管的宽长比之和为: 1+3*6+8*5+4+3=66。

    由以上对比可知,不同的计算方法所得宽长比不同,宽长比总和也有较大差异,黑盒子法最大,支路法2(关键支路L6)最小。对应不同的宽长比总和,电路版图的面积也会存在相应的差别,可根据实际芯片对面积的要求进行选择。黑盒子分析法通过暂时屏蔽某部分电路,将该部分作为整体来看,能详细分析电路中各MOS管之间的串、并联关系。支路法的重点是选择合适的关键支路,不同的关键支路,计算出的宽长比不同。

    此外,CMOS管宽长比还影响CMOS管的电阻、电容,而这两个参数决定了门电路的门延迟,这也是在设计集成电路路要考虑的非常重要的参数。所以实际集成电路设计过程中确定CMOS管宽长比的时候不仅仅要考虑电路的面积,还要根据对门电路延迟的要求统筹安排。

    致谢: 本论文受上海电力学院本科生教育教学改革(核心课程建设)项目资助,在此衷心感谢!

    参考文献:

    [1]张迪.大功率高效率CMOS整流电路的分析与设计[J].电子技术,2017(03):54-57.

    [2]董海青.宽长比对CMOS反相器开关时间影响的分析[J].信息化研究,2012(02):52-54.

    [3]崔江维.沟道宽长比对深亚微米NMOSFET总剂量辐射与热载流子损伤的影响[J].物理学报, 2011(02):026102-1-7.

    [4]李伟华.VLSI设计基础(第三版)[M].北京:电子工业出版社出版,2013:23-33.

    项目:上海电力学院本科生教育教学改革(核心课程建设)项目

    作者简介: 王晓华,女,博士在读,讲师,主要研究方向: 光学材料与器件。

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更新时间:2025/3/15 13:58:11