CMOS晶體管寬長(zhǎng)比計(jì)算一題多解探討

王曉華 趙倩

摘 要： CMOS晶體管的寬長(zhǎng)比是集成電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)參數(shù)。《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中分析了經(jīng)典CMOS電路中設(shè)計(jì)寬長(zhǎng)比計(jì)算的基本原理。本文運(yùn)用黑盒子法分析計(jì)算CMOS電路中晶體管的寬長(zhǎng)比，提出支路分析法，并對(duì)兩種分析方法進(jìn)行對(duì)比討論。集成電路設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同分析方法。

關(guān)鍵詞： 寬長(zhǎng)比；黑盒子法；支路法

中圖分類(lèi)號(hào)： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： C

CMOS晶體管寬長(zhǎng)比是NMOS/PMOS管的溝道寬度與溝道長(zhǎng)度的比值，它是集成電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)參數(shù)，對(duì)電路的速度、功耗、延時(shí)以及輸出波形的上升/下降時(shí)間都有重要的影響[1-3]。

《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程大綱中規(guī)定必須熟練掌握CMOS晶體管寬長(zhǎng)比計(jì)算。在CMOS組合邏輯電路中n個(gè)MOS管并聯(lián)，其寬長(zhǎng)比通常保持與等效倒相器中對(duì)應(yīng)的MOS管一致，而n個(gè)MOS管串聯(lián)，其寬長(zhǎng)比應(yīng)變?yōu)榈刃У瓜嗥髦袑?duì)應(yīng)的MOS管的n倍[4]。

如圖1所示電路中，等效倒相器中PMOS管的寬長(zhǎng)比為2，NMOS管的寬長(zhǎng)比為1， 為保持上升下降時(shí)間與等效倒相器相同，求圖中各MOS管的寬長(zhǎng)比[4]。

對(duì)于此類(lèi)型的CMOS組合邏輯電路可以采用黑盒子法或支路法分析解決。

1 黑盒子法

3 分析討論

綜上所屬，黑盒子法分析得到的所有MOS管的寬長(zhǎng)比之和為：1+2+4*5+4*2+3*8+16*2=87；

支路法1（關(guān)鍵支路L5）得到的所有MOS管的寬長(zhǎng)比之和為： 1+3*6+4*6+12*2+3=70；

支路法2（關(guān)鍵支路L6）得到的所有MOS管的寬長(zhǎng)比之和為： 1+3*6+8*5+4+3=66。

由以上對(duì)比可知，不同的計(jì)算方法所得寬長(zhǎng)比不同，寬長(zhǎng)比總和也有較大差異，黑盒子法最大，支路法2（關(guān)鍵支路L6）最小。對(duì)應(yīng)不同的寬長(zhǎng)比總和，電路版圖的面積也會(huì)存在相應(yīng)的差別，可根據(jù)實(shí)際芯片對(duì)面積的要求進(jìn)行選擇。黑盒子分析法通過(guò)暫時(shí)屏蔽某部分電路，將該部分作為整體來(lái)看，能詳細(xì)分析電路中各MOS管之間的串、并聯(lián)關(guān)系。支路法的重點(diǎn)是選擇合適的關(guān)鍵支路，不同的關(guān)鍵支路，計(jì)算出的寬長(zhǎng)比不同。

此外，CMOS管寬長(zhǎng)比還影響CMOS管的電阻、電容，而這兩個(gè)參數(shù)決定了門(mén)電路的門(mén)延遲，這也是在設(shè)計(jì)集成電路路要考慮的非常重要的參數(shù)。所以實(shí)際集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中確定CMOS管寬長(zhǎng)比的時(shí)候不僅僅要考慮電路的面積，還要根據(jù)對(duì)門(mén)電路延遲的要求統(tǒng)籌安排。

致謝： 本論文受上海電力學(xué)院本科生教育教學(xué)改革（核心課程建設(shè)）項(xiàng)目資助，在此衷心感謝！

參考文獻(xiàn)：

[1]張迪.大功率高效率CMOS整流電路的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2017（03）：54-57.

[2]董海青.寬長(zhǎng)比對(duì)CMOS反相器開(kāi)關(guān)時(shí)間影響的分析[J].信息化研究，2012（02）：52-54.

[3]崔江維.溝道寬長(zhǎng)比對(duì)深亞微米NMOSFET總劑量輻射與熱載流子損傷的影響[J].物理學(xué)報(bào)， 2011（02）：026102-1-7.

[4]李偉華.VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社出版，2013：23-33.

項(xiàng)目：上海電力學(xué)院本科生教育教學(xué)改革（核心課程建設(shè)）項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介： 王曉華，女，博士在讀，講師，主要研究方向： 光學(xué)材料與器件。