VLSI电路与系统chap3p2

1、CHAPTURE THREEPART 23.2.2 瞬态特性 倒相器的瞬态特性是研究倒相器输入电压随时间变化时其输出电压的变化规律。为了便于分析，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。 CMOS倒相器瞬态特性 （a）放电过程 (b)充电过程 CMOS倒相器的瞬态特性 当倒相器输入电压在t1、t2时刻发生阶跃变化时，负载电容Cout，发生放电与充电在放电时PMOS管截止，可写出电路方程： dtdVCIIIIoutoutDPCAPDPDN由于PMOS管截止，IDP=0,所以： dtdVCIoutoutDNOLOHVVoutDNoutout

2、ttfVIdVCdtt)(21输出电压Vout从VOH下降到VOL期间，NMOS管经历了饱和与非饱和两个工作区，分别对应tf1和tf2。根据饱和与非饱和区的晶体管电流方程，有： TNOHOHVVVTNOHNoutoutfVVdVCt212OLTNOHVVVoutoutTNOHNoutoutfVVVVdVCt222利用积分表，可求得下降时间tf 式中 TNOHNoutnVVC12ln221OLTNOHTNOHTNnfffVVVVVVttt 当Vin=0，NMOS管截止时，电源VDD通过PMOS管对Cout充电。 在此期间，PMOS管也经历了饱和与非饱和两个工作区用相类似的方法可以求出上升时间:1

3、|2ln|221OLTPOHTPOHTPprrrVVVVVVttt式中 |TPOHPoutpVVC当电路对称，即N=P和VTN=|VTP|时，输出电压波形的上升时间与下降时间相等。即： tf=tr 根据下降延迟时间和上升延迟时间的定义，可以求得： 14ln2OLOHTNOHTNOHTNnpfVVVVVVVt1|4ln|2OLOHTPOHTPOHTPpprVVVVVVVt平均延迟时间 通常定义平均延迟时间：若电路对称， N=P 、VTN|VTP|、VOH=VDD、VOL=0，则平均延迟时间是： prpfpttt2114ln2VDDVVVVVtTNOHTNOHTNnp3.2.3功率时延积 通过前面

4、的讨论已经知道CMOS倒相器在稳定工作状态时没有电流，而只有在电路发生转换时才通过电流当输入电压为周期性方波时，通过倒相器的电流波形如图所示。 在一个周期内的平均电流：rDNrfDNfavtItITI1式中IDNf和IDNr分别是下降与上升期间倒相器中流过的平均电流，即： ftDNfDNfdttItI0)(1rtDNrDNrdttItI0)(1在数字电路中，功率延时积是一项十分重在数字电路中，功率延时积是一项十分重要的特性指标，其计算公式是：要的特性指标，其计算公式是： Pavtp=IavVDDtp 当倒相器完全对称时，即当倒相器完全对称时，即IDNf=IDNr=IDN，有：有： pDDDNp

5、DDrfDNpavtffVItVttTItPmax式中式中 ：Tf1rfttf1maxfmax表示倒相器最高允许的工作频率。表示倒相器最高允许的工作频率。 当工作频率远小于当工作频率远小于fmax时，倒相器有良好时，倒相器有良好的功率时延特性；但当的功率时延特性；但当f增大时，增大时，Pavtp也增也增大，倒相器性能严重变坏。大，倒相器性能严重变坏。 3.3 CMOS传输门 CMOS传输门也是CMOS集成电路中的一种基本单元电路， 其电路结构与电路图符号如图所示。 在电路设计中，在电路设计中，CMOS传输门最基本的传输门最基本的用途是作为双向开关：导通电阻不超过用途是作为双向开关：导通电阻不超

6、过数百欧姆；截止电阻却可达千兆欧姆以数百欧姆；截止电阻却可达千兆欧姆以上。这时传输信号的损失很小，是一种上。这时传输信号的损失很小，是一种很好的无触点开关。很好的无触点开关。 在讨论在讨论CMOS传输门的特性前，我们先传输门的特性前，我们先讨论讨论NMOSNMOS及及PMOSPMOS单管作为传输门的特点。单管作为传输门的特点。 NMOS 传输门设设Cout的初始电压为零，的初始电压为零，晶体管的栅压晶体管的栅压VC=VDDVC=VDD使传使传输门导通，输门导通，t=t0时输入时输入端出现一个幅度为端出现一个幅度为VDD的阶跃的阶跃。 根据电流的流通方向，我根据电流的流通方向，我们认定们认定NM

7、OS管与输入端管与输入端相连的电极是漏极，与输相连的电极是漏极，与输出端相连的是源极。出端相连的是源极。 对于对于NMOSNMOS管有管有: : VDSn=VIN-Vout =VDD-Vout VGSn=VDD-Vout=VDSn因此因此NMOS管在输入阶跃电压一出现就导通并管在输入阶跃电压一出现就导通并处于饱和工作状态。处于饱和工作状态。在输出电压上升到：在输出电压上升到：V Voutout=V=VDDDD-V-VTnTn 时，时，V VGSnGSn降至降至它的阈值电压它的阈值电压V VTnTn而达到截止状态。输出电压值而达到截止状态。输出电压值为：为： V VOUTOUT=V=VDDDD-

8、V-VTNTN ，而不是而不是V VDDDD 。NMOS单管传输门对于高电平的输送有损耗。单管传输门对于高电平的输送有损耗。再设再设Cout的初始电压为高电平（假设为的初始电压为高电平（假设为V VDD) )，晶体晶体管的栅压管的栅压VC=VDDVC=VDD使传输门导通，使传输门导通，t=t1时输入端出现时输入端出现一个幅度由一个幅度由VDD到到0V的阶跃的阶跃。 根据电流的流通方向，我们认定根据电流的流通方向，我们认定NMOS管与输入端管与输入端相连的电极是源极，与输出端相连的是漏极。相连的电极是源极，与输出端相连的是漏极。对于对于NMOSNMOS管有管有: : VDSn=Vout-VIN

9、=VDD VGSn=VDD-VIN=VDD = VDSn因此因此NMOS管处于饱和工作状态。当管处于饱和工作状态。当V Voutout下降到下降到V VDDDD- -V VTnTn后转入非饱和状态后转入非饱和状态, ,并维持此状态直到输出电压并维持此状态直到输出电压 Vout =0V。NMOS单管传输门对于低电平的输送无损耗。单管传输门对于低电平的输送无损耗。PMOS 传输门PMOS 传输门与传输门与NMOS 传输门的特性传输门的特性是对称的：是对称的：PMOS单管传输门对单管传输门对于高电平的输送无损于高电平的输送无损耗。耗。PMOS单管传输门对单管传输门对于低电平的输送有损于低电平的输送有

10、损耗。耗。CMOS传输门特性分析设Cout的初始电压为零，晶体管的栅压使传输门导通，t=t0时输入端出现一个幅度为VDD的阶跃。 对于NMOS管在输入阶跃电压一出现就导通并处于饱和工作状态。在输出电压上升到： Vout=VDD-VTn 时VGSn降至它的阈值电压VTn而达到截止状态。对于PMOS管栅源电压在输入阶跃电压到来后一直保持不变。开始时晶体管处于饱和状态，当输出电压增大到|VTp|后，晶体管输入非饱和状态，输入电压一直可增大至VDD。 CMOS传输门在输入阶跃电压作用下传输门在输入阶跃电压作用下NMOS管和管和PMOS管的工作状态管的工作状态 CMOS传输门等效电阻与输入电压之间的关系

11、曲线传输门等效电阻与输入电压之间的关系曲线 由传输门构成的双路混合器或二选一模拟开关如图所示。由传输门构成的双路混合器或二选一模拟开关如图所示。 由于由于A A路和路和B B路传输门控制路传输门控制信号极性相反，因控制信信号极性相反，因控制信号不同而在输出端分别得号不同而在输出端分别得到到A A路或路或B B路信号。若将每路信号。若将每个传输门看作是一个与门，个传输门看作是一个与门，有：有： BSSAF由由CMOS传输门和倒相器构成的异或门如图所示传输门和倒相器构成的异或门如图所示 逻辑变量逻辑变量A同时也作为同时也作为传输门的控制信号。传输门的控制信号。TG1在在A为为“0”时导通，时导通，传输门的输入