【Verilog HDL 训练】第 02 天

1. 画一下电路图：CMOS反相器、与非门、或非门、三态输出门、漏极开路门。

CMOS反相器电路由两个增强型MOS场效应管组成。

上方为P沟道增强型MOS管，下方为N沟道增强型MOS管。

CMOS反相器电路由两个增强型MOS场效应管组成，其中TN为NMOS管，称驱动管，TP为PMOS管，称负载管。 NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范围在2~5V之间。

所以，当输入Vi为低电平时，TP导通，TN截止，输出Vo为高电平Vdd；当输入Vi为高电平时，TN导通，TP截止，输出Vo为低电平0。

参考：反相器

2. 解释一下Vih，Vil，Vol，Voh，Vt，Iddq

Vih：输入电压由高到低变化时，输出电压开始上升且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中B点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑“1”的最大输出电压）

Vil：输入电压由低到高变化时，输出电压开始下降且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中A点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑“0”的最小输出电压）

Voh：定义为最小合格高电平。（维持输出为逻辑“1”的最大输出电压）

Vol：定义为最大合格低电平。（维持输出为逻辑“0”的最大输出电压）

CMOS集成电路内部规定Vol = 0v，Voh = Vdd。

Vt：MOS管的阈值电压

如果输入电平是(Vil+Vih)/2，会有什么问题

输入电压（Vil+Vih）/2接近于0.5Vdd，CMOS反相器的阈值电压也接近于0.5Vdd，这样输出不确定会是高电平还是低电平，输出呈亚稳态！

参考：https://www.cnblogs.com/ninghechuan/p/9938802.html

3. CMOS反相器的速度与哪些因素有关？什么是转换时间（transition time）和传播延迟（propagation delay）？

影响CMOS电路工作速度的主要因素在于电路的外部，即负载电容CL。CL是主要影响器件工作速度的原因。由CL所决定的影响CMOS门的传输延时约为几十纳秒。

参考：CMOS与TTL电路的详细对比区别

Transition Time（转换时间）：上升时间：从10%Vdd上升到90%Vdd的时间，下降时间L从90%Vdd下降到10%dd的时间。上升时间和下降时间统称为Transition Time，也有定义为20%到80%。

Propagation Delay（传播延时）：在输入信号变化到50%Vdd到输出信号变化到50%Vdd之间的时间。

参考：https://www.cnblogs.com/ninghechuan/p/9938802.html

4. CMOS反相器的功耗主要包括哪几部分？分别与哪些因素相关？

CMOS反相器的全部功耗为动态功耗Pd和静态功耗Ps之和。

动态功耗由两部分组成，一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率Pc，另一部分是由于两个MOS管在短时间内同时导通所消耗的瞬时导通功耗Pt。

5. 什么是latch-up(闩锁效应)？

闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。避免闩锁的方法就是要减小衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。ESD 和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up），是半导体器件失效的主要原因之一。如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。

参考：百度百科

6. 相同面积的cmos与非门和或非门哪个更快？

电子迁移率是空穴的2.5倍（在硅基CMOS工艺中），运算就是用这些大大小小的MOS管驱动后一级的负载电容，翻转速度和负载大小一级前级驱动能力相关。为了上升延迟和下降延迟相同，PMOS需要做成NMOS两倍多大小。

载流子的迁移率，对PMOS而言，载流子是空穴；对NMOS而言，载流子是电子。

PMOS采用空穴导电，NMOS采用电子导电，由于PMOS的载流子的迁移率比NMOS的迁移率小，所以，同样尺寸条件下，PMOS的充电时间要大于NMOS的充电时间长，在互补CMOS电路中，与非门是PMOS管并联，NMOS管串联，而或非门正好相反，所以，同样尺寸条件下，与非门的速度快，所以，在互补CMOS电路中，优先选择与非门。

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/49176496

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