CMOS反相器介绍及设计课件

第三章CMOS反相器第一节反相器的特性第二节CMOS反相器第三节CMOS反相器的设计第四节环振和反相器链1第一节反相器的特性一、直流特性1、定义反相器是实现只有一个输入变量的最基本的逻辑门电路符号真值表理想反相器实际反相器逻辑1逻辑0不定区22、直流电压传输特性VTCVoltageTransferCharacteristicsVTC－直流下，将Vout描述为Vin的函数VILVIHVM3五个关键的电压，完全决定了VTC、噪声容限及过渡区的位置和宽度。阈值电压VM－VTC曲线中的点VOH：当输出电平为逻辑“1”时的最小输出电压，转折点VOL：当输出电平为逻辑“0”时的最大输出电压VIL：当输入电平为逻辑“0”时的最大输入电压VIH：当输入电平为逻辑“1”时的最小输入电压在数字电路中，逻辑值不是由单一量化电压值决定，而是相应的电压区间。逻辑“0”区域，逻辑“1”区域。43、噪声容限定义噪声容限：数字电路中对噪声的容忍量。电路的抗噪声干扰能力随噪声容限（NM）的增加而增加。低电平信号的噪声容限NML：NML＝VIL－VOL

高电平信号的噪声容限NMH：NMH＝VOH－VIH

NMLNMHNoiseMargin5噪声影响下的数字信号传播在噪声容限内前级反相器输出的逻辑1能够被后级反相器识别前级反相器输出的逻辑0能够被后级反相器识别6设在无噪声条件下，输入电压和输出电压间的关系为如果输入信号由于噪声而偏离额定值，则输出电压也会偏离原先的额定值扰动后的电压＝额定电压＋增益x外部干扰如果输出电压的增益的数量级小于1，则输入扰动不会被放大，因而造成的输出扰动较小；否则，输入端的小小干扰将会使输出电压有一很大的扰动。定义的原因784、再生能力regeneration再生能力可以确保受干扰的信号经过有限数量的逻辑过程后能够回到正常的额定值。理想情况再生能力抑制噪声9再生的条件为了具备再生能力，在VTC的不定区域具有大于1的增益10最大噪声容限11理想反相器12上升时间输出电压从V10%上升到V90%所需的时间下降时间输出电压从V90%下降到V10%所需的时间二、反相器的动态特性延迟时间的定义输入电压上升到V50%时和输出电压下降到V50%时之间的延迟时间输入电压下降到V50%时和输出电压上升到V50%时之间的延迟时间延迟时间tp13三、功率和能量功率，Power单位：瓦Watts单位时间内的能量，决定了电池的寿命峰值功率影响电源线的布置、封装、噪声和可靠性能量单位：焦耳JoulesEnergy=power*time（delay）Joules=Watts*seconds电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的操作需要较低的功率14Wattstime功率是指曲线的高度WattstimeApproach1Approach2Approach2Approach1能量是指曲线的面积简单的低功耗设计只需降低速度上述两种方法的能量相同功率和能量15功耗－延迟积Power-delayproduct(PDP)=Pav*tp

=(CLVDD2)/2PDP每个开关动作所需的平均能量(Watts*sec=Joule)能量－延迟积Energy-delayproduct(EDP)=PDP*tp

=Pav*tp2电路的优值Energy1/DelayabcdLowerEDPbetterbetter16E=CLVDD2P01+tscVDDIpeakP01

+VDDIleakageP=CLVDD2f01+tscVDD

Ipeakf01+

VDD

Ileakage动态、Dynamicpower静态、Short-circuitpowerLeakagepowerf01=P01*fclock反相器中功耗17第二节CMOS反相器一、结构特点nMOS和pMOS交替导通高电平－“1”为VDD，低电平－“0”为0VIN18二、CMOS反相器的直流电压传输特性19A：NMOS截止PMOS线性B：NMOS饱和PMOS线性C：NMOS饱和PMOS饱和D：NMOS线性PMOS饱和E：NMOS线性PMOS截止20VM（VIN＝VOUT）

的确定在VM处，nMOS和pMOS均处于饱和区通常阈值电压固定VTn＝-VTpVM受kR＝kp/kn（kR反相器的比例因子的控制）21对称情形若通常VTn＝-VTp此时为理想反相器的值22VIL的确定在VIN＝VIL处，nMOS处于饱和区，pMOS处于线性区VIN＝VIL对上式求导23VIH的确定在VIN＝VIH处，nMOS处于线性区，pMOS处于饱和区VIN＝VIH对上式求导24在对称情形中VIH＋VIL＝VDD低电平信号的噪声容限NML：NML＝VIL－VOL＝VIL

高电平信号的噪声容限NMH：NMH＝VOH－VIH＝VDD－VIH

具有相等的噪声容限NML＝NMHVTn＝-VTp25非对称情形1一旦VIN>VTn,NMOS开启，即导通非对称情形2一旦VIN低于

,PMOS开启，即导通26KRKRKRKR27Vin(V)Vout(V)器件的阈值电压始终不变Vin(V)Vout(V)Gain=-1电源电压VDD的变化28直流导通电流随输入、输出电平的变化而变化，在VIN＝VM时最大29CMOS反相器直流特性的计算Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，VoH=VddVi2为高电平时：Tn导通，Tp截止，VoL=0ViV0IpInTpTn30电流方程如下：设Vtn=-Vtp310≤Vi<Vtn时：n截止p线性（Vi<vtn<v0+Vtp）p管无损地将Vdd传送到输出端：V0=Vdd，如图a——b段。Vtn≤Vi<V0+Vtp时：n饱和p线性由In=-Ip得：如图b——c段V0ViVddVtha----bb----cc----dd----ee----f32V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时：n饱和p饱和由In=-Ip得：V0与Vi无关，如图c——d段。V0+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时：n线性p饱和由In=-Ip得：如图d——e段。V0ViVddVtha----bb----cc----dd----ee----f33Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时：n线性p截止V0=0如图e——f段。V0ViVddVtha----bb----cc----dd----ee----f34CMOS反相器有以下优点：（1）传输特性理想，过渡区比较陡（2）逻辑摆幅大：VOH=VDD,VOL=0（3）一般VM位于电源Vdd的中点，即VM=VDD/2，因此噪声容限很大。（4）只要在状态转换为b——e段时两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。（5）CMOS反相器是利用p、n管交替通、断来获取输出高、低电压的，而不象单管那样为保证VoL足够低而确定p、n管的尺寸，因此CMOS反相器是无比(Ratio-Less)电路。

35二、CMOS反相器的动态特性假设把与输出节点相连的所有寄生电容等价为一个负载电容36上升时间

反相器的上升反应时间决定于通过Rp对CL充电的时间37下降时间

反相器的下降反应时间决定于通过Rn对CL放电的时间38

前级反相器的负载电容约为后级反相器的两个晶体管栅电容之和：Cl=Cgp+Cgn=Cox(WpLp+WnLn)39CMOS反相器的传输延迟由与输出节点相关的微分方程描述近似处理简化的RC充放电近似tp=0.69CL(Reqn+Reqp)/2ln(0.5)40近似处理设输入为阶跃信号41较准确计算以tpHL为例42对于CMOS反相器，VOL＝0V，VOH＝VDD要使传输延迟对称43输入非阶跃信号44简化的RC充放电近似Ron、CL均是电压的函数45?tpHLtpLHtp=0.69CL(Reqn+Reqp)/2延迟时间的近似估算46反相器的负载电容47E=CLVDD2P01+tscVDDIpeakP01

+VDDIleakageP=CLVDD2f01+tscVDD

Ipeakf01+

VDD

Ileakage动态、Dynamicpower静态、Short-circuitpowerLeakagepowerf01=P01*fclockCMOS反相器中功耗48动态功耗假设输入和输出波形是周期性的，则每个周期内任一负载消耗的平均功耗为：E=CL*VDD2*P01，Pdyn=E*f=CL*VDD2*P01*fPdyn=CEFF*VDD2*fwhereCEFF=P01CL

功耗与晶体管的尺寸没有直接关系，是电源电压和工作频率的函数49短路功耗理想的CMOS反相器NMOS、PMOS交替工作，直流电流为0，但是由于输入信号可能不是突变，而是有一定的梯度，于是在VDD和GND形成一个短暂的通路，出现NMOS、PMOS同时导通的情形，所出现的功耗VinVoutCLIscEsc=tscVDDIpeakP01Psc=tscVDDIpeakf01和器件尺寸、饱和电流、工艺条件、负载、输入信号等密切相关5051亚阈电流为主，温度增加电流指数增加！！！VDDIleakageVout漏结泄漏亚阈电流栅泄漏泄漏功耗（静态功耗之一），理想反相器为052CMOS反相器的功耗53三、CMOS反相器的设计根据噪声容限要求设计根据瞬态特性要求设计综合考虑直流特性和瞬态特性要求54对称设计，可获得最大的噪声容限和对称的延迟时间55pMOS和nMOS的L均采用最小线宽nMOS的W采用最小线宽为获得对称的特性pMOS的W约为nMOS的2倍(Wp~=2Wn)1GNDGNDCL=K*CgCg最小尺寸反相器，标准反相器CL为忽略了反相器自身寄生电容后的负载56大尺寸反相器对nMOS和PMOS的W均乘以系数M>1MOSFET的输出电导增加M倍延迟为最小反相器的1/MMGNDGNDCL=K*CgC=M*CgTheaboveignoresself-loading57aout+transistorsGNDVDDaouttubtiesCMOS反相器的版图5859不同结构的反相器60第四节CMOS环振和反相器链CMOS环形振荡器CMOSRINGOSCILLATOR奇数个全同反相器首尾相接构成闭合的回路形成正反馈61环振的频率－用于测门延迟62