数字集成电路-从经典物理到智能设计 课件 8. 反相器

数字集成电路反相器反相器简介VDDInOut++--Vx=0VVy=0V（a）NMOS传输逻辑0（好）VDDInOut++--Vx=VDDVy=V1=（VDD-VTn）（b）NMOS传输逻辑1（差）+-VTn阈值电压损失InOut++--Vy=VDD（d）PMOS传输逻辑1（好）Vx=VDDVx=0VInOut++--（c）PMOS传输逻辑0（差）+-

阈值电压损失NMOS适合放电（下拉）PMOS适合充电（上拉）NMOS与PMOS传输特性VDDVDD

0PDN0

VDDPUNVDD0

VDD-VTnVDDVDDVDD

|VTp|SDSDVGSSSDDVGSPMOS！NMOS！CLCLCLCL上拉与下拉晶体管成本:复杂性、面积表示完整性和稳定性:

静态（稳态）特性表示性能:

动态（瞬态）响应决定能量效率:

功耗和能耗决定VoutVinVDDCL静态CMOS反相器静态CMOS反相器VoutVinVDDCLPMOSNMOS输入VDDGNDPMOSNMOS通孔N阱输出金属连接两级CMOS反相器VDDVin=VDDVin=0

晶体管可以看作是一个

具有无限关断电阻和

有限导通电阻的开关静态CMOS特性CMOS反相器一阶DC分析VoutVoutVDDVDDRpRn1.全摆幅：VOL=0VOH=VDDVSW=VDDVM=f(Rn,Rp)2.无比逻辑：逻辑电平与器件的相对尺寸无关（有比逻辑：电平决定于相对尺寸）3.对噪声和干扰不敏感：稳态时在输出和VDD或GND之间总存在一条具有有限电阻的通路4.稳态输入电流几乎为零：由于反相器输入节点只连到晶体管栅上输5.无任何静态功率：稳态工作情况下电源线和地线之间没有直接的通路（忽略漏电流）CMOS反相器静态特性反相器电压传输特性VDD=2.5V图解法叠加PMOS和NMOS器件电流特性Vin=VDD+VGSp负载曲线IDSpVDSpVGSp=-1VGSp=-2.5VoutVin=0IDSnVin=1.5IDSnVDSpVin=01.5VoutVinVDDSDGPMOSNMOSSIDSn=-IDSpVout=VDD+VDSp

:直流工作点(IDn=IDp)为使一个直流工作点成立：通过两个MOS的电流必须相等即两条相应负载线的交点所有直流工作点在高输出电平或低输出电平上→反向器的VTC具有非常窄的过渡区→过渡期间具有较高增益CMOS反相器静态特性VOUTVINVddgainNMOS截止区PMOS线性区1/2VddABCDEVddNMOS饱和区PMOS线性区NMOS线性区PMOS饱和区NMOS饱和区PMOS饱和区NMOS线性区PMOS截止区IdnVINmax-Idp=ABCDEVdd00a)b)VDS=VGSVDS=VGSVGT=VGS-VTVDSATCMOS反相器的VTC反相器的瞬态响应主要由门的输出电容CL决定：NMOS和PMOS的漏扩散电容连线电容以及扇出门的输入电容CMOS反相器的瞬态响应VDD一个快速门的设计是通过减小输出电容或者减小晶体管的导通电阻（增加宽长）来实现Rn、Rp为晶体管两端电压的非线性函数VoutRpVDDVin50(a)低→高CLVoutRnVDDVin5VDD(b)高→低CLVin=0Vin=VDDCMOS反相器的瞬态响应——简化开关模型tpLH=0.69RpCLtpHL=0.69RnCLCLVoutVDDRnVoutVDDRpSDRonMOS管的开关模型VoutVinVDDCLCLCMOS反相器简化开关模型小结电阻、电容等效模型反相器静态特性VOH=VDDVOL=GND

VM

VIH

VILVSW?

1234开关阈值VM定义在Vin=Vout在这一区域，由于VDS＝VGS，PMOS和NMOS总是饱和的，使通过两个晶体管的电流相等就可以得到VM的解析式如果电源电压足够高，可假设两个管子均处于速度饱和状态（VDSAT<VM-VT），同时忽略沟长调制效应：开关阈值…..(1)VM1…..(2)其中：r与尺寸比的关系？通常希望满足即意味着

r=1当VDD值较大时（与VT及VDSAT相比）开关阈值取决于r，即两个管子相对驱动强度的比使开关阈值等于所希望VM的对应尺寸由式（1）可得：为使VM上移要求具有较大r值…..开关阈值VM1结合式（2）可得PMOS尺寸：(3)根据0.25umCMOS工艺设计一反相器(VDD=2.5V)，使根据上表数据与公式（3）：CMOS反相器例题VM11001010.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8

VM(V)Wp/Wn3.4开关阈值对PMOS和NMOS宽长比的关系电路模拟结果VM1VM

对于尺寸比的变化相对来说不敏感：较小变化尺寸不会对传输特性产生过大的影响PMOS宽度可小于完全对称所要求尺寸尺寸比：3,2.5,2分别对应：1.22,1.18,1.13增加PMOS或NMOS的宽度会使VM

分别移向VDD或GND要较大程度地改变开关阈值并不容易

VTC曲线图形算法VIH,VIL对VTC采用逐段线性近似增益无穷大时NMH=VOH-VMNML=VM-VOLVM处增益g?VMVoutVinVOHgVddVIHVILVOL希望过渡区具有较高增益过渡区近似为一直线增益等于VM处增益gVM确定VIH与VIL(噪声容限)VIH23VIL

采用逐段线性近似结果会有误差假设PMOS和NMOS均处在速度饱和状态不能忽略沟长调制系数（过渡区增益与电流的斜率关系很大）在阈值附近有：求导并求解dVout/dVin，忽略某些二次项并令Vin=VM，得到这一增益几乎完全取决于工艺参数（特别是沟长调制）设计者通过选择电源电压及晶体管尺寸只能对它产生很小的影响静态反相器的中点增益——gVIH23VIL

目标：设计一个0.25umCMOS反相器,PMOS与NMOS宽长比为3.4,NMOS晶体管最小尺寸为(W=0.375um,L=0.25um,W/L=1.5,VM=1.25V)VM处增益NMOS为速度饱和,考虑

λ影响例题：确定反相器的噪声容限VIH23VIL

目标：123VIL=1.03VIH=1.45VIL=1.03VVIH=1.45VNML=1.03VNMH=1.05V小于预测值NML=1.2VNMH=1.2V模拟得到的反相器VTCVIL=1.17VIH=1.33g=-17估计值-27.5模拟得到的过渡区增益

g公式过高估计了增益(由左图可见)在VM处其最大值仅为17VIL和VIH为1.17V和1.33V最大的偏离是由于对VTC的逐段近似造成的对一阶估计以及识别相关参数仍有价值00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)好PMOS坏NMOS好NMOS坏PMOS正常工作温度变化和制造中产生的工艺参数偏离会影响反相器的特性静态CMOS反相器的dc特性对上述变化不敏感一个好的器件:tox↘3nmL↘25nmW↗30nmVT↘60mV器件尺寸变化对反相器开关阈值只产生很小影响极端情况门可在很宽范围条件下工作器件参数变化

工艺尺寸的连续缩小迫使电源电压和器件尺寸按类似的比例降低，与此同时，器件阈值电压实际上却保持不变反相器工作的稳定性会否受到影响？当电压降低时，反相器是否仍然工作？对电源电压的降低是否存在一个可能的限制？由于对固定的晶体管尺寸比r，VM近似的正比于VDD，所以反相器在过渡区增益随电源电压降低而加大！反相器在电源电压接近晶体管的VT时仍能较好工作！g与VDD的关系

减少VDD提高增益亚阈值电流导致高低电平切换g与VDD的关系

当电源电压为0.5V时仅比阈值电压大0.1V但过渡区的宽度只是电源电压的10％最大增益35当电源电压为2.5V时过渡区的宽度是电源电压的17％为什么不使所有的数字电路在这样低的电源电压下工作？降低功耗，但会增加门延时？？当电源电压接近VT时，DC特性会对器件参数的变化愈加敏感减小信号摆幅,虽可减少内部噪声，但会对外部噪声更加敏感减小VDD

g=-1电源电压不小于热电势ΦT的两倍过小VDD导致g变差继续降低电源电压至200mV、100mV、50mV时阈值电压不变尽管晶体管未导通但仍然得到近似反相器传输特性低电流→慢！！！亚阈值电