數字電路之MOS特性與邏輯詳細分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-12-23
MOS，即場效應管，四端器件，S、D、G、B四個端口可以實現開和關的邏輯狀態，進而實現基本的邏輯門。NMOS和PMOS具有明顯的對偶特性：NMOS高電平打開（默認為增強型，使用的是硅柵自對準工藝，耗盡型器件這里不涉及），PMOS低電平打開。在忽略方向的情況下，采用共S極接法，有如下特性：
第一張圖是Vds隨Vgs變化的情況，用于描述開關特性。后面的邏輯分析一般基于這個原理。
第二張圖是Ids隨Vds變化的情況的簡圖，用于描述MOS的靜態特性。
MOS的靜態特性由兩個區域決定：線性區和飽和區。
前者一般是動態功耗的主要原因，后者是靜態電壓擺幅的決定因素。
線性區有：Id=μCoxW/L[(Vgs-Vth)Vds-1/2Vds^2]
飽和區有：Id=1/2μCoxW/L(Vgs-Vth)^2
后面的MOS器件一般基于這兩個區域的電學特性來分析總體的電學特性。電壓擺幅、面積、噪聲容限、功耗、延時基本上都是源自這個區域的原理。
CMOS電路及其改進
（1）最基本的CMOS電路--反相器
這里是反相器的版圖草圖及電路草圖，用于描述反相器的版圖位置和邏輯關系。反相器的功能很簡單，就是將Vout輸出為Vin的反向。
從功耗上看：PMOS和NMOS靜態不存在同時導通，即無靜態功耗。由于NMOS和PMOS關斷的延時，存在動態功耗。
從電壓擺幅上看：NMOS可以將Vout拉到L0（邏輯0），PMOS可以將Vout拉到L1，可以保證全電壓擺幅。
從面積上看：PMOS和NMOS各一個，標準的CMOS面積，其他電路的面積以其為參考。
從噪聲容限上看：CMOS的標準噪聲容限，以其為參考對比其他電路。
從延時看：取決于MOS管的工藝，也是其他電路延時的參考。
噪聲容限的定義
圖中g代表斜率，兩個噪聲容限在對稱情況下一般相等，有些特殊的設計需要不對稱的噪聲容限。可以看到，噪聲容限越大，反相器變化越快，響應速度越快。
組合邏輯分析
（1）電壓擺幅
電平需要能夠維持在L1和L0兩個狀態區間內，一旦混亂，就會出現邏輯錯誤。一般來說，可以使用電平恢復電路維持電壓（一個反相器與PMOS構成的電平恢復）。對于長的邏輯鏈，需要加入BUFF來維持電壓（這點在傳輸管中尤為重要）。
（2）邏輯延時
這部分是分析組合電路的延時的，采用的反相器為標準的估算方法（軟件可以實測，但是設計時需要估值），專業詞匯叫邏輯努力。
標準反相器鏈的延時T=tp0+tp0*f，其中tp0是空載延時，f是扇出。f=Cout/Cin,在同尺寸的反相器串聯時，f=1，并聯時f=N，N為下一級并聯的個數。常用術語FO4即是扇出為4的設計。對于不同的反相器，則需要使用具體的計算得到比例。反相器鏈采用f=F^(1/N)的優化規則優化。
基于反相器鏈，可以推導CMOS門鏈的延時：
反相器常用P:N的W/L為2：1（綜合面積，速度，噪聲，功耗的考慮值），以此為基準可以推出同等最優尺寸的與非門尺寸為2：2：2：2，或非門尺寸為4：4：1：1，推算原則就是串聯翻倍，并聯不變的最優尺寸等效規則。
然后是CMOS門的延時：d=p+gh，p為基準延時tp0的倍數，g為電學努力，h為邏輯努力。
以與非門為例，得出下面的參數：
p=2（等效兩個理想反相器），g=4/3(A=2+2,B=2+2),h=Cout/Cin(單鏈，如果有分支，加上b這個參數，即下一級的負載數）。
優化的方法也是一樣的，使得f=F^(1/N),即可實現最優延時。f=gh，F=GBH，大寫即為連乘的小寫。
時序邏輯分析
建立時間：數據需要提前于時鐘沿的時間，
保持時間：數據需要在時鐘沿到來后保持的時間。
傳輸時間：數據從存儲單元傳輸到輸出所需的時間。
具體的分析是復雜的，但是基本的原理是清晰的。建立時間是為了保證數據能夠存入存儲單元。保持時間是保證數據能度過時鐘觸發所需的延時。傳輸時間是保證存儲單元數據能夠傳輸到輸出。
具體的時序分析是很復雜的，需要考慮許多參數，如時鐘的抖動和歪斜。一般這些參數都是計算好的，使用者只需根據計算值設計相應的滿足條件即可。基本的修改方法是：對于關鍵路徑，建立時間不足降低時鐘頻率，保持時間不足加BUFF。
至于如何修改建立時間和保持時間，那是電路結構的問題，需要設計更加合理的電路。常用的電路結構為C^2MOS結構，即將時鐘和反相器組合成的MOS時序電路，有興趣可以查一下。這個結構可以和多米諾組成流水線的結構。
數字電路-功能模塊
加法器、乘法器、多路選擇器、移位寄存器、存儲器等具有特定邏輯功能的電路所需的是邏輯設計，學習過數字電路的都不會陌生（存儲器就是基于存儲單元的讀寫DRAM和基于電容的SRAM），這里已經到了module層次了。
這個層次的設計已經可以使用verilog快捷的實現了。優化也可以基于verilog來調試優化每個門的位置和數量。
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