CMOS晶體管寬長比計算一題多解探討

王曉華 趙倩

摘 要： CMOS晶體管的寬長比是集成電路設計中非常重要的一個參數?！都呻娐吩O計基礎》課程教學中分析了經典CMOS電路中設計寬長比計算的基本原理。本文運用黑盒子法分析計算CMOS電路中晶體管的寬長比，提出支路分析法，并對兩種分析方法進行對比討論。集成電路設計中可以根據實際情況選擇不同分析方法。

關鍵詞： 寬長比；黑盒子法；支路法

中圖分類號： G642 文獻標識碼： C

CMOS晶體管寬長比是NMOS/PMOS管的溝道寬度與溝道長度的比值，它是集成電路設計中非常重要的一個參數，對電路的速度、功耗、延時以及輸出波形的上升/下降時間都有重要的影響[1-3]。

《集成電路設計基礎》課程大綱中規定必須熟練掌握CMOS晶體管寬長比計算。在CMOS組合邏輯電路中n個MOS管并聯，其寬長比通常保持與等效倒相器中對應的MOS管一致，而n個MOS管串聯，其寬長比應變為等效倒相器中對應的MOS管的n倍[4]。

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

對于此類型的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管的寬長比之和為：1+2+4*5+4*2+3*8+16*2=87；

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

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

由以上對比可知，不同的計算方法所得寬長比不同，寬長比總和也有較大差異，黑盒子法最大，支路法2（關鍵支路L6）最小。對應不同的寬長比總和，電路版圖的面積也會存在相應的差別，可根據實際芯片對面積的要求進行選擇。黑盒子分析法通過暫時屏蔽某部分電路，將該部分作為整體來看，能詳細分析電路中各MOS管之間的串、并聯關系。支路法的重點是選擇合適的關鍵支路，不同的關鍵支路，計算出的寬長比不同。

此外，CMOS管寬長比還影響CMOS管的電阻、電容，而這兩個參數決定了門電路的門延遲，這也是在設計集成電路路要考慮的非常重要的參數。所以實際集成電路設計過程中確定CMOS管寬長比的時候不僅僅要考慮電路的面積，還要根據對門電路延遲的要求統籌安排。

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

參考文獻：

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

[2]董海青.寬長比對CMOS反相器開關時間影響的分析[J].信息化研究，2012（02）：52-54.

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

[4]李偉華.VLSI設計基礎（第三版）[M].北京：電子工業出版社出版，2013：23-33.

項目：上海電力學院本科生教育教學改革（核心課程建設）項目

作者簡介： 王曉華，女，博士在讀，講師，主要研究方向： 光學材料與器件。