第七章MOS 反相器

Vi
CMOS反相器电压传输特性VTC
NMOS截止 PMOS线性 NMOS饱和 PMOS线性
2.5 a 2
b
c
Vout (V)
1.5 1 0.5
d
NMOS饱和 PMOS饱和
0 0 0.5 1 1.5
NMOS线性 PMOS饱和 NMOS线性 e PMOS截止
f
2
2.5
Vin (V)
四、

CMOS反相器VTC分析
MI
2. 电压传输特性曲线的推导
3. 基本特性 VDD VOL 1+2KI RL(VOHVTI) VDD RL RL若小：VOL高， Vo 功耗大， tr小; VOH
Vi
Vo W/L若小(即K I 小)：VOL高，功 MN 耗小，t 大。 f
RL减小
VOL 0
VILVIH Vi
7.1.2 E/E饱和负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理 VDD ML Vi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和 VOH=VDDVTL Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和 KL(VDD-VOL-VTL)2= KI[2(VOH-VTI)VO-VO2] Vo (VDD VTL )2 MI 有比电路 VOL 2R(VOHVTI) (W/L)I KI 其中：R = K = (W/L)L L
VGL
Vi
1. 结构和自举原理(续) VDD VGL 自举过程： Vi 变为VOL ,ME截止,Vo上升， MB VGL随Vo上升(电容自举)， ML MB截止,ML逐渐由饱和进入 CB 非饱和导通，上升速度加快。 Vo ME 自举结果： tr缩短，VOH可达到VDD。
Vi
2. 寄生电容与自举率 VDD 由于寄生电容CO的存在： VGL CO = VGSL CB VGL = VGSL + Vo
CMOS反相器
VDD
V in
反相器的逻辑符号
V ou t
t
CMOS Inverter
V in
Vout
VDD
Input
Output
Vin作为PMOS和NMOS的共栅极； Vout作为共漏极； VDD作为PMOS的源极和体端； GND作为NMOS的源极和体端
GND
CMOS逻辑电路的特点
（1）静态功耗极低（WnW） 动态功耗与工作频率密切相关（P动=CLfVDD2）。 （2）工作电源电压范围宽。
MB VGL
CO C B
ML Vo
MI
自举率定义： VGL 1 = Vo = 1+Co/C B
应尽可能较小寄生电容Co， 使达到80%以上。
Vi
3. 漏电与上拉 VDD 自举电路中的漏电，会 使自举电位VGL下降(尤其 是低频)，最低可降到： VGL=VDDVTB ， 因而ML 变为饱和导通，输出VOH 降低：VOH=VDDVTBVTL 为了提高输出高电平，加 入上拉元件MA (或RA)。
Review: Short Channel I-V Plot (NMOS)
2.5 2
X 10-4
VGS = 2.5V
ID (A)
1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5
VGS = 2.0V VGS = 1.5V VGS = 1.0V
2
2.5
VDS (V)
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
IDn (A)
1.5
Vin = 2.0V
Vin = 1.0V 1
Vin = 1.5V Vin = 2.0V
Vin = 2V 0.5
Vin = 1.5V
Vin = 1V
Vin = 1.5V
Vin = 0.5V
Vin = 1.0V Vin = 0.5V
0 0 Vin = 2.5V
0.5
1 1.5 Vout (V)
Linear dependence
Review: Short Channel I-V Plot (PMOS)
-2
VDS (V)
-1
0
0 -0.2 -0.4 -0.6
VGS = - 1.0V VGS = - 1.5V
VGS = - 2.0V
-0.8
VGS = - 2.5V
X 10-4
-1
PMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = -0.4V
2
2.5 V = 0V in
0.25um, W/Ln = 1.5, W/Lp = 4.5, VDD = 2.5V, VTn = 0.4V, VTp = -0.4V
CMOS反相器电压传输特性VTC
2.5 a 2
b c
Vout (V)
1.5 1 0.5
d
0 0 0.5 1 1.5 2
e
f
2.5
Vin (V)
Vo Vi Vtn (Vi Vtn )
2
Kp Kn
V V
i
tp
Vdd
2

Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时：N管线性，P管截止，则Vo=0 。
直流导通电流Ion随Vin的变
（3）抗干扰能力强，其直流噪声容限一般可达到 30%40%VDD。 （4）逻辑摆幅大（VssVDD）。 （5）输入阻抗高（1081010）。 （6）扇出能力强。（扇出因子N0可达50，但随着所带电路数目 的增多，工作速度有所下降）。
7.3.1 CMOS反相器的直流特性
CMOS反相器是CMOS门电路中最基本的逻 辑部件，大多数的逻辑门电路均可通过等效反相 器进行基本设计，再通过适当的变换，完成最终 的逻辑门电路中具体晶体管尺寸的计算。所以， 基本反相器的设计是逻辑部件设计的基础。

Vi
K n Vtn K p Vdd Vtp Kn K p

Vdd K n / K p Vtn Vtp 1 Kn / K p
Vo与Vi无关(Vo与Vi的关系为一条垂直线)，称为CMOS反 相器的阈值电压Vth，或转换电压。 Vo+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时： N管线性 P管饱和 由In=-Ip得：
VDD MP Vo MN
Vi
VOH-VOL=VDD 最大逻辑摆幅，且输出摆幅与p 管、n 管W/L无关 （无比电路） 。
CMOS反相器的等效电路图
Vdd
Tp Ip Vi Vo Tn In

Vi为高电平时：Tn导通，Tp截止，VOL=0 Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，VOH=Vdd
二、CMOS反相器电压传输特性VTC
第7章 MOS 反相器
7.1 MOS反相器
MOS反相器的分类
静态反相器 动态反相器
E/E反相器 E/D反相器 CMOS反相器
有比反相器 无比反相器
VDD RL Vi
7.1.1 电阻负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理 Vi为低电平VOL时，MI截止
VOH=VDD Vo Vi为高电平VOH时，MI非饱和 (VDD–VOL ) /RL = KI [2(VOH -VTI)VOL-VOL2 ] VDD VOL 1+2KI RL(VOHVTI) oxo W 其中:KI= 2t ( ) L ox
0≤Vi<VTN时： N管截止 P管线性（Vi<Vtn<Vo+Vtp） P管无损地将Vdd传送到输出端：Vo=Vdd。 VTN≤Vi<Vo+VTP时： N管饱和 P管线性 由In=-Ip得：

Vo Vi Vtp
Vi Vtp Vdd
2
K n Kp
Vi Vtn
2
Vo+Vtp≤Vi≤Vo+Vtn时： N管饱和 P管饱和 由In=-Ip得：
7.1.3自举负载NMOS反相器 1. 结构和自举原理
self loading 自举电路
VDD
MB ML 预充偏置管MB 自举电容CB
CB
M Vi
E
Vo
饱和型负载 NMOS反相器
1. 结构和自举原理(续) VDD 初始状态： VI=VOH，Vo=VOL MB MB、ML饱和、ME非饱和 ML VGL=VDDVTB CB (VDD VTB VTL )2 Vo VOL 2R(VOHVTE) KE (W/L)E ME 其中： R = = (W/L) KL L 有比电路
VGSp = -1 VGSp = -2.5
Mirror around x-axis
Horiz. shift over VDD Vout = VDD + VDSp
CMOS Inverter Load Lines
PMOS Vin = 0V
X 10-4
NMOS Vin = 2.5V
2.5 2
Vin = 0.5V
Vi
2.饱和负载NMOS反相器瞬态特性分析
下降时间tf的分析

VDD
ML Vo

上升时间tr的分析
Vi
MI
3.饱和负载NMOS反相器单元特点
Vo
VDD ML
(1)VOH比电源电压 VDD低一个阈值电 压Vt（有衬底偏 值效应）；
(KI/ KL ) R减小
Vi
Vi
(2)VOL与R有关， 为有比电路； Vo (3) ML和MI的宽长比分别影响tr和tf。 MI (4)上升过程由于负载管逐渐接近截 止，tr较大。
ID (A)
变换 PMOS I-V 曲线

使 Vin, Vout, 和 IDn在同一个坐标系
IDn
IDSp = -IDSn VGSn = Vin ; VGSp = Vin - VDD VDSn = Vout ; VDSp = Vout - VDD
Vout
Vin = 0 Vin = 1.5
Vin = 0 Vin = 1.5
cmos门电路中最基本的逻门电路中最基本的逻cmoscmos反mos管作为输入管和由一个增强型管作为输入管和由一个增强型pp沟作为负载管且两栅极短接作为输入端两漏极作为负载管且两栅极短接作为输入端两漏极短接作为输出端短接作为输出端nn管源极接地管源极接地pp管源极接电源电压电压vvdddd这就构成了两管功能上的互补
CMOS反相器的电路构成，是由一个增强型 n沟MOS管作为输入管和由一个增强型p沟MOS管 作为负载管，且两栅极短接作为输入端，两漏极 短接作为输出端，N管源极接地，P管源极接电源 电压VDD，这就构成了两管功能上的互补。
一、CMOS反相器的工作原理
Vi为VOL时，MN截止，MP非饱和 -Kp [2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) – (VOH-VDD ) 2] = 0 VOH = VDD Vi为VOH时，MN非饱和，MP截止 Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2] =0 VOL=0 无比电路
Vi
2. E/D NMOS反相器单元特点 VDD MD Vi Vo (1)VOH可达到电源电压VDD (2)VOL与R有关，但是VTD是 关键的因素，近似于无比电路。 (3)上升过程由于负载管由饱和 逐渐进入非饱和， tr缩短E/D NMOS反相器，若VTE=2V， VTD=-2V，βR=25，VDD=5V。求此反相 器的逻辑电平是多少？
MB MA VGL
CB
ML Vo
MI
Vi
7.2 E/D NMOS反相器 1. 结构和工作原理 VDD
MD Vi MD 为耗尽型器件， VTD <0， ME 为增强型器件， VTE >0，
ME
Vo Vi为VOL时，ME截止，MD非饱和
VOH = VDD
1. 结构和工作原理（续） VDD Vi为VOH时，ME非饱和，MD饱和 KD(0 -VTD)2 = KE[2(VOH -VTE)VOL-VOL2] MD VTD 2 VOL 2 (V V ) OH TE R Vo (W/L)E KE ME 其中：R = KD = (W/L)L 有比电路（近似于无比电路）
7.3 CMOS反相器
所谓CMOS (Complementary MOS)，是在 集成电路设计中，同时采用两种MOS器件： NMOS和PMOS。CMOS电路及其技术已成为当 今集成电路，尤其是大规模电路、超大规模集成 电路的主流技术。CMOS结构的主要优点是电路 的静态功耗非常小，电路结构简单、规则，使得 它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路
下图为CMOS结构的剖面示意图，为了能在同一硅材 料(Wafer)上制作两种不同类型的MOS器件，必须构造两种 不同类型的衬底，图中所示结构是在N型硅衬底上，专门制 作一块P型区域(p阱)作为NMOS的衬底的方法。同样地，也 可在P型硅衬底上专门制作一块N型区域(n阱)，作为PMOS 的衬底。为防止源/漏区与衬底出现正偏置，通常P型衬底应 接电路中最低的电位，N型衬底应接电路中最高的电位。
三、CMOS反相器中的工作区的划分
CMOS反相器中的器件工作状态表 VDD
输入电压范围 N管 P管 0Vi<VTN 截止 非饱和 MP VTNVi<VO+VTP 饱和 非饱和 Vo VO+VTPViVO+VTN 饱和 饱和 VO+VTN<ViVDD+VTP 非饱和 饱和 MN VDD+VTP<Vi VDD 非饱和 截止