CMOS电路设计优化

1.CMOS定义

金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）是两种主要类型的晶体管之一，广泛用于数字电路的应用中，因其尺寸极小，故可以在单个集成电路中制造几百万个器件。我们可以制造两种互补的MOS晶体管，即n沟道MOSFET和p沟道MOSFET。在同一电路中同时使用这两种类型的器件时，电路设计就会变得非常多样。这些电路称为互补MOS（CMOS）电路。

CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），它指的是一种特殊类型的电子集成电路（IC）。集成电路是一块微小的硅片，它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中，产生一个十分紧凑的器件。在通常的术语中，集成电路通常称为芯片，而为计算机应用设计的IC称为计算机芯片。

2.为什么选择CMOS

虽然制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。桌面个人计算机、工作站、视频游戏以及其他成千上万的产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能。当所有的个人计算机都使用专门的CMOS芯片，如众所周知的微处理器来获得计算性能时，CMOS IC的重要性就不言而喻了。

CMOS之所以流行的原因有10个方面。

（1）功耗低。CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的静态功耗典型值仅为20 mW，动态功耗（在1 MHz工作频率时）也仅为几mW。

（2）工作电压范围宽。CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3～18 V电压下正常工作。

（3）逻辑摆幅大。CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电源低电位VSS。当VDD=15 V，VSS=0 V时，输出逻辑摆幅近似15 V。因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

（4）抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15 V的供电电压（当VSS=0 V时），电路将有7 V左右的噪声容限。

（5）输入阻抗高。CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103～1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。(www.xing528.com)

（6）温度稳定性好。由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55～+125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45～+85℃。

（7）扇出能力强。扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

（8）抗辐能力强。CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。

（9）可控性好。CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%～140%。

（10）接口方便。因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。

这些特征都为CMOS成为制造IC的主要工艺提供了基础。

3.CMOS应用的几个关键节点

随着CMOS工艺的不断发展，超大规模集成电路应运而生。1967年，出现了大规模集成电路，集成度迅速提高；1977年超大规模集成电路面世，一个硅片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年，16M DRAM问世，1 cm2大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段；1997年，300 MHz的奔腾Ⅱ问世，采用0.25μm工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹，至此，超大规模集成电路的发展又到达了一个崭新的高度。2009年，酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32 nm工艺，并且同时开始下一代22 nm工艺的研发。

从以上几个节点可以看出，集成电路的集成度由于CMOS工艺、制造技术以及设计理念的不断发展，从小规模到大规模、再到超大规模和特大规模一步步不断提高。相信随着科技的发展，集成电路还会有更好的发展。