反相器及CMOS反相器性能分析

2023/1/31第5章MOS反相器MOS反相器的基本概念及静态特性电阻型反相器E/EMOS反相器E/DMOS反相器CMOS反相器工作原理

CMOS反相器的静态特性

CMOS反相器的瞬态特性

MOS反相器的设计三态反相器2023/1/31一、MOS反相器的基本概念及静态特性输出=3.3v3.3V输入=0v输入=3.3v输出=0v3.3V电流OUTPUTINPUT0110OUTPUTINPUTINPUTOUTPUT1.MOS反相器基本概念2023/1/312.MOS反相器的静态特性VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVMVOH:输出电平为逻辑”1”时的最大输出电压VOL:输出电平为逻辑”0”时的最小输出电压VIL:仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压VIH:仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压VM（逻辑阈值）:输入等于输出电压传输特性2023/1/31噪声抑制与噪声容限VOHVOLVILVOHVIHVOL噪声最大允许电压噪声最小允许电压2023/1/31噪声抑制与噪声容限高噪声容限低噪声容限不定区VIHVIL"1""0"VOHVOLVNMHVNMLGateOutputGateInputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIH2023/1/31基本逻辑运算电路-反相器1二、电阻负载型反相器VDDRLVIN=VGSVOUT=VDS1.VIN=VOL≈0V时N管截止VOUTRLVDDVOUT=VDD驱动管负载2023/1/312.VIN=VOH≈VDD时N管导通,可将MOS等效为可变电阻RMOSVDDRLVIN=VGSVOUT=VDSVDDRLIRVOUTRMOS若RL>>RMOS则VOUT≈02023/1/31电阻负载型反相器电压传输特性VDDRLVOUTVINVINVOUTRL增大2023/1/31基本逻辑运算电路-反相器1输入输出关于负载电阻的讨论INPUTOUTPUT为了使反相器的传输特性好R负载驱动在驱动管开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻足够小在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米的话，线长需为2mm。占面积很大，因此通常用MOS管做负载2023/1/31基本逻辑运算电路-反相器2nninout介绍饱和MOS负载反相器Vds=Vgs>Vgs-Vth只要开通，则工作在饱和区VIN

0VOUT=VDD-VTHL当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时负载管关断驱动管截止VIN

VDD驱动管非饱和导通,负载管饱和导通为使VOL接近0，要求gmL<<gmI有比电路三、E/EMOS反相器2023/1/31

E/EMOS反相器电压传输特性VINnnVinVoutgmL/gmI减小VDD-VTVoutVin2023/1/31基本逻辑运算电路-反相器2采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态VIN

0VOUT=VDD驱动管截止VIN

VDD驱动管非饱和导通,负载管饱和导通有比电路nninoutMEMD三、E/DMOS反相器2023/1/31KR增大nninoutVDD

E/DMOS反相器电压传输特性2023/1/31由PMOS和NMOS所组成的互补型电路叫做CMOSC：complementaryVinVout四、CMOS反相器已成为目前数字集成电路的主流2023/1/31

CMOS反相器工作原理VinVout当输入电压Vin为高电平时，PMOS截止，NMOS导通，Vout=0当输入电压Vin为低电平时，PMOS导通，NMOS截止，Vout=VDDVOL=0VOH=VDD在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点之一是低功耗。2023/1/31CMOS反相器的传输特性VDS=VoutVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinNMOSVin<Vtn

截止▉Vin-Vtn<Vout饱和▉

▉Vin-Vtn>Vout非饱和▉

▉PMOS(VDD-Vin)<-Vtp

截止

▉

(VDD-Vin)+Vtp>VDD-Vout

非饱和

▉▉(VDD-Vin)+Vtp<VDD-Vout

饱和

▉

▉VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止VtnVDD＋VtpVin<Vout＋VtpVDD+Vtp>Vin>Vout＋VtpVin>Vout＋VtnVtn<Vin<Vout＋Vtn2023/1/31CMOS反相器的几个重要参数VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVM2023/1/311.VIL的计算VILVIHVIN=VILVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin对Vin求导，得令，且Vin=VIL,得由（1）（2）式联立可求得VIL(2)RTNRDDTPoutILkVkVVVV++-+=12N管工作在饱和区,P管工作在线性区(1)2023/1/312.VIH的计算VILVIHVIN=VIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin对Vin求导，得令，且Vin=VIH,得由（1）（2）式联立可求得VIHN管工作在线性区,P管工作在饱和区（1）RTNoutRTPDDIHkVVkVVV++++=1)2(（2）2023/1/31CMOS反相器的逻辑阈值VDDVINVMVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinN管和P管均工作在饱和区令VM=Vin

得2023/1/31逻辑阈值与晶体管尺寸的关系1001010.80.911.11.21.31.41.51.61.71.8MV

(V)Wp/Wn0.25um晶体管VDD=2.5vPMOS大NMOS大2023/1/31CMOS反相器的噪声容限例考虑一个具有如下参数的CMOS反相器电路：计算电路的噪声容限2023/1/31解:对于CMOS反相器来说,VOL=0V,VOH=3.3V当VIN=VIL时,nMOS管工作在饱和区,pMOS管工作在线性区则有:VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2023/1/312023/1/312023/1/31当VIN=VIH时,nMOS管工作在线性区,pMOS管工作在饱和区则有:1.17VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2023/1/312023/1/31CMOS反相器的瞬态特性瞬态特性决定了电路的开关时间和工作速度2023/1/31CMOS反相器的瞬态特性延迟时间tpd(传播时间）

2.上升时间tr3.下降时间tf2023/1/31CMOS反相器的下降时间tfVin=VDD饱和区VinVout1.VOUT

从90%VDD

下降到VDD-VTHN管的VDS>VGS-VTH,工作在饱和区2023/1/31CMOS反相器的下降时间tfVin=VDD线性区VinVout2.VOUT

从VDD-VTH

下降到10%VDDN管的VDS<VGS-VTH,工作在线性区2023/1/31CMOS反相器的下降时间tfVin=VDDVinVout设VTN≈0.2VDD，则下降时间由N管的尺寸决定2023/1/31CMOS反相器的上升时间trVin=0VinVout设|VTP|≈0.2VDD，则上升时间由P管的尺寸决定如果N管和P管尺寸相等，KP≈0.5KN(μp≈0.5μn),则tr≈2tf，因此，若希望tr＝tf，则WP≈2WN2023/1/31CMOS反相器延时的测量环形振荡器N阶反相器N必须为奇数T=2n*tpdTT=n*(tPHL+tPLH)10100tPHLtPLHtPHLtPLH通常用在测试电路中测试电路的工作速度2023/1/31MOS反相器的设计反相器的设计主要是确定MOS管的宽度对有比反相器：对CMOS反相器:1.根据VM确定尺寸2.根据上升下降时间相等原则设计（WP/WN≈2:1)根据VOL确定两管尺寸2023/1/31三态CMOS反相器VinVoutSS符号VinVoutSS电路图低电平，高阻用于多个电路模块共享一条数据总线的情形2023/1/31CMOS反相器中的功耗CLVddnp0

n管截止,p管导通,输出为“1”01

np管同时导通,输出从“1”“0”1

p管截止,n管导通,输出为“0”1001CMOS反相器工作在两种状态静止状态电荷转移状态（动态）2023/1/31CLVddVDD0tV1.当输入信号为0时：输出保持1不变，没有电荷转移3.当输入信号从0－>1(发生跳变)时：输出从“1”转变为“0”,

有电荷转移012.当输入信号为VDD时：输出保持0不变，没有电荷转移CMOS反相器的功耗动态功耗静态功耗2023/1/31CMOS反相器的功耗功耗组成：

1.静态功耗2.动态功耗1.静态功耗PS输入输出输出在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。VinVout2023/1/31考虑扩散区与衬底之间的反向漏电流后，存在较小反向漏电流随着特征尺寸的减小，漏电流功耗变得不可忽视，减小漏电流功耗是目前的研究热点之一。2023/1/312.动态功耗PDVILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非饱和N饱和P非饱和N非饱和P饱和N非饱和P截止1.短路电流功耗：在输入从0到1或者从1到0瞬变过程中，NMOS管和PMOS管都处于导通状态，此时存在一个窄的从VDD到VSS的电流脉冲，由此引起的功耗叫短路电流功耗。CLVdd通常（开关频率较低时）为动态功耗的主要组成部分2.瞬态功耗：在电路开关动作时，对输出端负载电容进行放电引起的功耗。2023/1/31瞬态功耗VinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E*f=CLVDD2f为减小功耗需要减小CL

,VDD

和f动态（翻转）的能量和功耗：与驱动器件的电阻无关每次翻转消耗的能量E2023/1/31短路电流功耗VinVoutCLVddVoutiCtp2023/1/312023/1/312023/1/312023/1/31CMOS反向器的功耗表达式P=fCLK·

CL·

VDD2+

ISC·

△

tSC·

VDD·

fCLK+IDC·

VDD+ILeak·

VDD在此：CL为负载电容，VDD为电源电压，

ISC为穿通电流的平均值，△