4.1反相器直流特性

Vin
Vout
区域2
N-S P-S N-L P-O
区域2：限制条件
N-O
N-L
P-S
P-S
0
VTN
VDD+ VTP VDD
Vin
因此：PMOS线性
因此：NMOS饱和
13
反相器VTC：区域3
Vout
N-O
P-L
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
VGSN Vin , VDSN Vout VGSP Vin VDD , VDSP Vout VDD
9


反相器中MOSFET的工作区域
缩写对照：
Vout
N-O P-L N-S P-L
Vout +VTP=Vin
N-S
P-O
Vout+VTN
=Vin
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
Vin
Vout
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
Vout +VTP=Vin
N-S
P-O
Vout+VTN
=Vin
N-S P-S
N-O P-S
N-L P-S
反相器VTC：区域2
Vout
N-O
P-L
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
VDD
Vout +VTP=Vin
N-S
P-L N-S P-O
Vout+VTN=Vin
第四章 CMOS单元电路 反相器直流特性
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
分析过程：数字CMOS电路




根据器件在电路中的连接关系，确定电流方向， 确定器件的源漏端 根据器件的Vgs，判断器件开关的通断，确定逻 辑功能 定量分析：根据源漏电压和Vdsat判断导通器件 的工作区，根据器件电流列出电路的支路电流方 程，解方程求出节点电压和支路电流 特殊现象考虑亚阈电流、衬偏效应、二级效应
Share power and ground
5 Connect in Metal
CMOS反相器的直流特性
VDD V in = 0
V out = VDD
Vin=0，NMOS截止， PMOS导通， 稳态Vout= VDD ,“1”；
VDD
Vin= VDD，NMOS导通， PMOS截止 , 稳态Vout=0；
7
CMOS反相器的结构和基本特性

若输入为“0”(Vin = 0V)：


VGSN = 0V， VGSP=－VDD
NMOS截止，PMOS导通
输出“1” (Vout = VDD)
Vout Vin
8
CMOS反相器直流电压传输特性

输出电平与输入电平之间 的关系：电压传输特性 (VTC) NMOS与PMOS可以同时 导通： I DN I DP 并始终有如下关系：
P-L
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
VDD
Vout +VTP=Vin
N-S
P-L N-S P-O
Vout+VTN=Vin
V in Vout
3
反相器的逻辑符号
CMOS反相器
VDD V in V ou t
t
V in
Vout
VDD
Input
Output
GND

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
4
反相器版图
标准单元形式的门 电路的版图设计 通过等高的设计共 享电源和地线 通过邻接的设计减 小面积
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
VDD
N-S P-S
V in
N-O P-S N-L P-S N-L P-O
Vout
0
VTN
VDD+ VTP
VDD
Vin
10
反相器VTC：区域1
Vout
N-O
区域1
N-S P-S N-L P-O
区域1：限制条件
因此NMOS截止
N-O
N-L
P-S
P-S
0
VTN
VDD+ VTP VDD
Vin
因此PMOS线性
11
反相器VTC：区域6
Vout
N-O
P-L
N-O N-L N-S P-O P-L P-S
NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation
反相器的工作特点： Vout=Vin； 稳态单管导通，没有直通电流6
Vin = VDD
V out = 0
CMOS反相器的结构和基本特性

若输入为“1”(Vin= VDD)：


VGSN = VDD ， VGSP = 0V
NMOS导通，PMOS截止
输出“0” (Vout = 0V)
Vout Vin
VDD
Vout +VTP=Vin
N-S
P-L N-S P-O
Vout+VTN=Vin
V in Vout
区域3
N-S P-S N-L P-O
区域3：限制条件
NMOS 饱和
N-O
N-L
P-S
P-S
0
VTN
VDD+ VTP VDD
PMOS饱和
Vin
14
VDD
反相器VTC：区域
Vout
N-O P-L N-S P-L
VDD
Vout +VTP=Vin
N-S
P-L N-S P-O
Vout+VTN=Vin
V in Vout
N-S P-S N-L P-O
区域6：限制条件
因此NMOS截止 <
N-O
N-L
P-S
P-S
0
VTN
VDD+ VTP VDD
Vin
<
<
区域6
PMOS饱和，但是实际电路中NMOS截止，导通的PMOS的Vds必然为0， 12 不可能工作在饱和区，与实际电路矛VTN
VDD+ VTP
VDD
Vin
红色斜线影响PMOS： 其上线性，其下饱和 /截止 蓝色斜线影响NMOS： 其下线性，其上饱和 /截止 两条竖线影响截止 器件有沟道没有电流 是线性区，因此6区 和7区没有实际意义 15