《集成电路设计pa》PPT课件.ppt

集成电路设计 基本CMOS数字电路PART2 幅度量化和直流电压传输特性 a 电压量化范围 b 电压幅度范围 c 直流电压传输特性曲线 直流电压传输特性曲线 数字电路中二进制信号的电压幅度的大致范围如图所示 图中的VIH是输入最低高电平 只要输入Vin VIH 就认为输入逻辑 1 图中VIL是输入最大低电平 只要输入Vin VIL 就认为输入逻辑 0 VIL和VIH之间这段范围就是不确定区 也就是电路无法判别在此区域内的输入量是何种逻辑状态 通常定义电压传输曲线中斜率绝对值为1的辅入电压分别为VILmax和VIHmin 分别称为最大输入低电平和最小输入高电平 VOHmin和VOLmax分别称为最小输出高电平和最大输出低电平 在数字电路级联工作时 为了保证正确的逻辑关系 它们应满足 VOHmin VIHminVOLmax VILmax在倒相输出的直流电压传输特性图中作直线Vout Vin 该直线与特性曲线相交 交点对应电压成为逻辑门阈值电压VTH 噪声容限定义 激励门的最大输出低电平与被激励门能够识别的最大输入低电平之差定义为低电平噪声余度NML 激励门的最小输出高电平与被激励门能够识别的最小输入高电平之差则定义为高电平噪声余度NMH 低电平噪声容限NML VILmax VOLmax 高电平噪声容限NMH VOHmin VIHmin 逻辑门的噪声容限NM由下式表达 NM min NMH NML 一个电路的输出必须能驱动一个以上的同类电路 这称为 扇出能力 一个逻辑电路能够接受的激励源数则称为该电路的 扇入数 数字电路的瞬态特性 数字电路的瞬态特性是研究数字电路输入电压随时间变化时其输出电压的变化规律 通常令输入电压Vin t 是一个幅度为VOH的理想方波 输出电压的高 低电平分别是VOH和VOL 实际上 由于晶体管内部物理效应和电路输出端等效电容的作用 倒相输出电压波形如图3 3 b 所示 图中定义了描绘瞬态特性的四个时间参量 它们是tf tr tpf和tpr 图3 3倒相输出的瞬态特性曲线 下降时间tf是输出电平从满幅的90 降到l0 的时间 相对应的电压为V1和V0 V0 VOL 0 1 VOH VOL V1 VOL 0 9 VOH VOL 上升时间tr是输出电压从V0上升到V1的时间 为了简便 有时也可以用VOH和VOL代替V1和V0 下降延迟时间tpf是输入阶跃处t1到输出电压降至50 即降至电压V1 2 VOL VOH 2所需要的时间 上升延迟时间tpr则是从输入阶跃t2处到输出电压升至V1 2的时间 3 2CMOS倒相器 理想倒相器符号及真值表 理想倒相器的直流传输特性 倒相器的直流传输特性说明了输出电压与输入电压的静态关系 输入电压为零时 输出电压为VDD 输入电压增大 达到某一电压VTH时输出电压从VDD转变为零 即输出从逻辑 1 转变为逻辑 0 由于器件的非理想特性 实际倒相器的直流传输特性和瞬态特性取决于驱动管与负载器件的特性 瞬态特性还和电路中的输出等效电容COUT有关 CMOS倒相器电路结构图 CMOS倒相器直流传输特性分析 在CMOS倒相器中 输人电压Vin同时接到两个晶体管的栅极 输出端接至两个晶体管的漏极 因此已不存在所谓负载管和驱动管的概念 而是以互补的方式工作 PMOS管和NMOS管在不同工作区域内的电压关系列在表3 1中 表中VTN表示NMOS管的阈值电压 VTP是PMOS管的阈值电压 注意 VTP 0 表3 1CMOS倒相器各工作区电压关系 CMOS倒相器的直流传输特性 图3 11 CMOS倒相器的工作状态可以分为五个区域来讨论 它们的电压关系由表3 1决定 相应于这五个工作区的传输特性如图3 11中A B C D E所示 由CMOS倒相器电路结构图可知 Vin VGSN Vout VDSNVGSP Vin VDD VDSP Vout VDD CMOS倒相器直流特性分析 A区在Vin VTN时 NMOS管截止 IDSN为零 这时VGSP VTP 所以PMOS管导通 但IDSP IDSN 0 因此倒相器输出电压 Vout VOH VDD十分明显 VGDP Vin VDD VTP所以 Vin VTP VDD可见在此工作范围内 NMOS管截止 PMOS管处于线性电阻区 B区即Vin VTN时 在此阶段内 由于NMOS管刚导通 输出电压也没有发生显著变化 所以PMOS管仍维持在非饱和状态 但是NMOS管导通 NMOS管工作在饱和区 有 由上式可求得输出电压是 由 VGSN VTN Vin VTN VDSN Vout可推出 Vin VDSN VTN Vout VTN且 Vin VDD VTP Vout VDD 0即在以上的条件下 前面推出的方程将成立 C区当Vin VOUT时 使得本区域内NMOS管和PMOS管均处于饱和区工作状态 由晶体管电流方程有 它对应着陡峭下降的特性 对应此时的输入电压是 它对应着陡峭下降的特性 对应此时的输入电压是 通常将这个电压值作为倒相器的阈值电压 若取 N p VTN VTP 则上式变为 Vin VTH VDD 2 D区即当Vin VDD VTP 时 这时NMOS管进入非饱和区 而PM0S管仍维持在饱和区 由晶体管电流方程有 由此求得输出电压是 E区即当Vin VDD VTP 时 这时PMOS管截止 IDSP 0 但NMOS管仍处于非饱和状态 因此 输出电压 Vout VOL 0 为了保证倒相输出数字电路可靠地工作 应满足 式中 VIL称为最大输入低电平 VIH称为最小输入高电平 为了保持Vout处于可靠的逻辑 1 状态时的输入电压不得超过VIL 同样为了保证Vout处于可靠的逻辑 0 状态时 输入电压不得小于VIH 参数VIL和VIH的求取 通常将VIL和VIH定义在倒相器直流传输特性曲线斜率等于 1处所对应的输入电压 如下图所示 根据前面的分析 VIL和VIH应出现在直流电压传输特性曲线的B D两端 由B段输出电压公式 设X N P 在式中将Vout对Vin求导 令导数值为 1 可得到 VIL2 3 2X X2 VIL 6