CMOS晶体管宽长比计算一题多解探讨

王晓华 赵倩

摘 要： CMOS晶体管的宽长比是集成电路设计中非常重要的一个参数。《集成电路设计基础》课程教学中分析了经典CMOS电路中设计宽长比计算的基本原理。本文运用黑盒子法分析计算CMOS电路中晶体管的宽长比，提出支路分析法，并对两种分析方法进行对比讨论。集成电路设计中可以根据实际情况选择不同分析方法。

关键词： 宽长比；黑盒子法；支路法

中图分类号： G642 文献标识码： C

CMOS晶体管宽长比是NMOS/PMOS管的沟道宽度与沟道长度的比值，它是集成电路设计中非常重要的一个参数，对电路的速度、功耗、延时以及输出波形的上升/下降时间都有重要的影响[1-3]。

《集成电路设计基础》課程大纲中规定必须熟练掌握CMOS晶体管宽长比计算。在CMOS组合逻辑电路中n个MOS管并联，其宽长比通常保持与等效倒相器中对应的MOS管一致，而n个MOS管串联，其宽长比应变为等效倒相器中对应的MOS管的n倍[4]。

如图1所示电路中，等效倒相器中PMOS管的宽长比为2，NMOS管的宽长比为1， 为保持上升下降时间与等效倒相器相同，求图中各MOS管的宽长比[4]。

对于此类型的CMOS组合逻辑电路可以采用黑盒子法或支路法分析解决。

1 黑盒子法

3 分析讨论

综上所属，黑盒子法分析得到的所有MOS管的宽长比之和为：1+2+4*5+4*2+3*8+16*2=87；

支路法1（关键支路L5）得到的所有MOS管的宽长比之和为： 1+3*6+4*6+12*2+3=70；

支路法2（关键支路L6）得到的所有MOS管的宽长比之和为： 1+3*6+8*5+4+3=66。

由以上对比可知，不同的计算方法所得宽长比不同，宽长比总和也有较大差异，黑盒子法最大，支路法2（关键支路L6）最小。对应不同的宽长比总和，电路版图的面积也会存在相应的差别，可根据实际芯片对面积的要求进行选择。黑盒子分析法通过暂时屏蔽某部分电路，将该部分作为整体来看，能详细分析电路中各MOS管之间的串、并联关系。支路法的重点是选择合适的关键支路，不同的关键支路，计算出的宽长比不同。

此外，CMOS管宽长比还影响CMOS管的电阻、电容，而这两个参数决定了门电路的门延迟，这也是在设计集成电路路要考虑的非常重要的参数。所以实际集成电路设计过程中确定CMOS管宽长比的时候不仅仅要考虑电路的面积，还要根据对门电路延迟的要求统筹安排。

致谢： 本论文受上海电力学院本科生教育教学改革（核心课程建设）项目资助，在此衷心感谢！

参考文献：

[1]张迪.大功率高效率CMOS整流电路的分析与设计[J].电子技术，2017（03）：54-57.

[2]董海青.宽长比对CMOS反相器开关时间影响的分析[J].信息化研究，2012（02）：52-54.

[3]崔江维.沟道宽长比对深亚微米NMOSFET总剂量辐射与热载流子损伤的影响[J].物理学报， 2011（02）：026102-1-7.

[4]李伟华.VLSI设计基础（第三版）[M].北京：电子工业出版社出版，2013：23-33.

项目：上海电力学院本科生教育教学改革（核心课程建设）项目

作者简介： 王晓华，女，博士在读，讲师，主要研究方向： 光学材料与器件。