4.2反相器瞬态特性

tpHL tpLH tp 2 CLVHL 1 tpHL f 2 Iav,HL 1 N CLVLH 1 tpLH r 2 Iav,LH 1 P


16
瞬态响应：仿真波形
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 0
out
(V)
tpLH
tpHL
voutvddtnnmos线性0109电路的工作速度取决于传输延迟时间输入信号变化50到输出信号变化50的时间根据输出信号情况分为上升延迟和下降延迟时间10tpouttpoutddtp归一化积分求解ddtpddtpddtptpdd12反相器的速度用平均延迟时间表示一般情况下的速度ddddphlplhhlphllhplhphlplhhlphllhplh利用电流传送电荷的时间电流取饱和电流的一半精确的结果可以利用spice仿真14ddplh上升和下降时间同电路充放电的电流和电容有关因此同器件的阈值电压导电因子和电路的电源电压和负载电容有关phlplhhlphllhplh15cmosdbndbpcdbncdbpcgdpcinm1m2m4m3vddvddcgdn16增加器件的宽长比会同时增加导电因子和器件的栅电容和漏区电容对于固定的大负载电容可以通过增加器件尺寸提高速度对于小负载反相器速度不会随着尺寸出现明显增phlplhhlphllhplhdbndbp101005phl18用环形振荡器测量传输延迟时间phl2plh3phl1plh2phl3plh1p1p2p320cmos41cmos反相器的直流特性42cmos反相器的瞬态特性nmos反相器21cmosnmos2个可控开关开关常导通负载22nmos负载特性g2d2ddoutoutdd2个增强型nmos组成m1是可控开关驱动管负载管m2总是在饱和区23voutvohm1饱和m2饱和outohihoutohol要求kr1有比电路输出低电平时有直流电流阈值损失24ddoutohout上升过程归一化01098925outd1d2outoh下降过程忽略m2的电流归一化nmos负载特性一个多晶硅电阻做负载27vtcvoutvohoutddddolddoutddoutddoutddoldd28上升过程outddout0109下降过程忽略负载电流与cmos反相器相同011929cmosnmos饱和负载耗尽型负载电阻负载cmos05301063ohtdddtddd3031cmosnmos上升下降时间比较参数饱和负载耗尽负载电阻负载cmos45kr31kr12kr是不同的tntpteddtddd0232cmos无比电路具有最大的逻辑摆幅
tr r ln 1 u1 ln 1 u2 2.2 r
u1 0.1, u2 0.9, r RLCL
下降过程, 忽略负载电流与CMOS反相器相同
0.1 1 1.9 2 N N tf f ln 2 2 1 N 0.1 1 N
24
饱和负载反相器的下降时间
dVout CL I D1 I D2 下降过程 dt dV 忽略M2的电流 CL out I D1 dt Vout u 归一化 VOH VT
u 1, M1饱和
du 1 , dt f
CL f K1 VOH VT
du f 2u u 2 u 1, M1线性 dt
1.
0 Vin VT
M1截止，M2饱和
ID1=ID2=0, Vout=VOH=VDD-VT 阈值损失
2.
0 Vin VT Vout
2
M1饱和，M2饱和
2
K1 Vin VT K2 VDD VT Vout
Vout VOH Kr (Vin VT )
3.
P 1 r [ ln(3 4 P )] 2 (1 P ) 2(1 P )
11
反相器的速度

用平均延迟时间表示一般 情况下的速度
V1 V2 V3
tpHL tpLH V1 tp 2 V2 CLVHL 1V 3 tpHL f 2 Iav,HL 1 N
K1 Vin VT Vin VT Vout K2 VDD VT Vout 2 VOH VOL 要求Kr >>1，有比电路 2Kr VOH VT
2 2 2

VIH Vin Vout VT M1线性，M2饱和

输出低电平时有直流电流
I on K 2 VDD VT VOL
M4
CL CDBN CDBP WN WP i LCox Cl
i 1
15
N
提高反相器的速度
CL CDBN CDBP WN WP i LCox Cl
i 1 N

增加器件的宽长比会同时 增加导电因子和器件的栅 电容和漏区电容 对于固定的大负载电容可 以通过增加器件尺寸提高 速度 对于小负载，反相器速度 不会随着尺寸出现明显增 加
1 2 u2 tf f u1 1 ln 2 u2
0.9VOH u1 VOH VT
u2
0.1VOH VOH VT
25
2、电阻负载NMOS反相器
负载特性
一个多晶硅电阻做负载
26
电阻负载反相器的VTC
1.
0 Vin VTN
M1线性
VDD Vout 2 2 K1 Vin VT Vin VT Vout RL
VOL
2 VDD 2Kr VDD VT
VDD VOL VDD I on RL RL
27
电阻负载反相器的瞬态特性
上升过程
CL dVout VDD Vout dt RL
2
23
饱和负载反相器的上升时间
上升过程 归一化
dVout 2 CL K 2 VDD VT Vout dt
Vout Vout u VOH VDD VT
1 1 tr r 1 u2 1 u1 CL CL r K 2VOH K 2 VDD VT u1 0.1, u2 0.9, tr 8.9 r
PMOS线性
du 1 1 P 2 u P 2 dt r


1 u 2 2 P r ln 1 u 21 P 2
10
tr t1 (u1 0) t2 (u2 0.5)
传输延迟时间：阶跃输入
输入信号变化到输出信号变化50％的时间
NMOS off PMOS res NMOS s at PMOS res NMOS sat PMOS sat NMOS res PMOS sat
1
1.5
2
2.5
NMOS res PMOS off 2.5 Vin
0.5
0 .5
1
1 .5
2
VOH VOL 0.9VOH 0.1VOH tf tr
3
VDD Vin
M1截止
ID1=IR=0, Vout=VOH=VDD
2.
0 Vin VT Vout
M1饱和
3.
VDD Vin Vout VT
VDD Vout 2 K1 Vin VT RL Kr Vin VT 2 , K r VDD RL K1 Vout VDD VDD
1 1 1 tp r 2 P 1 2 2t pLH Kr r N 2 1 P ln 1 ) 2(1 P ) (1

P

1.5 2 0.5
r
CL K PVDD
14
CMOS反相器的负载电容
VDD M2 C’GDP CDBP Vout C’GDN M1 Cl Cin CDBN M3 VDD
CL , f K N VDD
8
0.1 N 0.9
2、反相器的传输延迟时间



电路的工作速度取决于 传输延迟时间 输入信号变化50％到 输出信号变化50％的 时间 根据输出信号情况，分 为上升延迟和下降延迟 时间
9
阶跃输入:上升延迟
1) Vout VTP
2个可控开关
开关 + 常导通负载
21
1、饱和负载NMOS反相器
负载特性
VG 2 VD2 VDD I D2 K 2 VDD VT Vout
2
当Vout VDD VT，I D2 0
2个增强型NMOS组成, M1是可控开关,驱动管, 负载管M2总是在饱和区
22
饱和负载反相器的直流电 压传输特性
T tPHL2 tPLH3 tPHL1 tPLH2 tPHL3 tPLH1 2 tp1 tp2 tp3 6tp 1 f 6tp
19
CMOS反相器

4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 NMOS反相器
20
CMOS和NMOS反相器结构比较
第四章 CMOS单元电路
4.2 反相器瞬态特性
CMOS反相器

4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 4.3 CMOS反相器的设计
2
直流特性和瞬态特性
Vout



直流特性有助于我们理解反相 器中器件的工作状态和电路的 噪声特性 瞬态特性，即输入信号随着时 间变化过程中，输出信号的变 化情况 瞬态特性决定着电路的速度
K PVDD
r P u1 1 P 2
2) Vout VTP
积分求解 上升时间
t2
PMOS线性
du 1 1 P 2 u P 2 dt r


1 u 2 2 P r ln 1 u 21 P 2
归一化 积分求解 PMOS饱和
du 1 2 1 P , dt r
t1
dVout 2 CL K P 0 VTP VDD dt
r
CL K PVDD
r P u1 1 P 2
2) Vout VTP
积分求解 上升延迟时间
t2
V DD Vin
Vout<=|VTP|, PMOS在饱和区， Vout>|VTP|, PMOS在线性区
t =0
CL
5
V DD
推导上升时间
1) Vout VTP
归一化 积分求解
Vin
t =0
CL
PMOS饱和
du 1 2 1 P , dt r
t1
dVout 2 CL K P 0 VTP VDD dt CL r
上升时间: 输出从逻辑摆幅的10% 10％变化到90% 下降时间: 输出从逻辑摆幅的90% 90％变化到10%
4
分析上升时间的等效电路
VDD V in = 0 V out = VDD
(1) 物理思想： 通过PMOS对Vout节点的电容充电
dVout CL I DP dt
(2) IDP是随输出变化的
Vout
1、上升时间和下降时间
VOH VOL 0.9VOH 0.1VOH tf tr
(1) 出现上升/下降的原因: Vin跳变(由0到1，或相反)， Vout不会立刻反相 (2) Vout不会立刻反相的原因？ (3) 上升时间 rise-time/下降时 间 fall-time (tr/tf)的定义
V DD Vin
t=0
CL

r P u1 t1 2 1 P
取：t r
1 u 2 2 P r t2 ln 1 u 21 P 2
t1 (u1 0) t2 (u2 0.5)
t pLH
VTP CL 1 4(VDD VTP ) [ ln( 1)] K p (VDD VTP ) VDD VTP 2 VDD
6
t r t1 (u1 0.1) t 2 (u 2 0.9)
上升过程充电电流的变化
1 t r r P 2 2(1 ) ln (1 P ) P
0.1

1.9 2 P 0.1

Issue： 公式适用范围
r
CL K PVDD
0.1 P 0.9
V
0.5
1 t (sec)
1.5
2 x 10
2.5
-10
17
电路的最高工作频率
1 fm 2 max(tr, tf )
“0” “1”
“1” “0”Biblioteka “0” “1”“1” “0”
用环形振荡器测量 传输延迟时间
1 tp 2nf
18
环形振荡器的频率
“0” “1”
“1” “0”
“0” “1”
“1” “0”
1 1 1 tp r 2 2 2 Kr 1 N 1 P
13
延迟时间：影响因素
上升和下降时间同 电路充放电的电流和 电容有关 因此，同器件的阈 值电压，导电因子和 电路的电源电压和负 载电容有关
tpHL tpLH 2 CLVHL 1 tpHL f 2 Iav,HL 1 N tp tpLH CLVLH 1 r 2 Iav,LH 1 P
0.5VDD
0.5VDD tD
12
传输延迟：非阶跃输入近似



利用电流传送电荷 的时间 电压变化VDD/2 电流取饱和电流的 一半 精确的结果可以利 用SPICE仿真
tpHL tpLH tp 2 CLVHL 1 tpHL f 2 Iav,HL 1 N CLVLH 1 tpLH r 2 Iav,LH 1 P
7
分析下降时间的等效电路
(1) 与上升电路类似的分析： 通过NMOS对Vout节点的 Vout 电容放电
Vin CL
dVout CL I DN dt
(2) IDN的计算
Vout>VDD-VTN Vout<VDD-VTN NMOS饱和； NMOS线性
t= 0
N 0.1 1 1.9 2 N tf f ln 2 21 N 0.1 1 N