CMOS反相器设计

集成电路设计基础

论文题目：CMOS反相器

学院：信息科学与工程学院专业：集成电路工程

姓名：杨丹

学号：1211082132

CMOS 反相器电路设计及其版图仿真

姓名：杨丹 学号：1211082132

摘要： CMOS

技术自身的巨大发展潜力是IC 高速持续发展的基础。集成电路制造水平

发展到深亚微米工艺阶段，CMOS 的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。本文主要简单的介绍CMOS 反相器电路的基本理论，以及基于Cadence 的CMOS 反相器的电路仿真和版图设计。

关键词：CMOS 、反相器、Cadence 、版图

Abstract: CMOS is the basis for high speed and sustainable development of IC, which own

huge development potential. Integrated circuit manufacturing level to the development of deep sub-micron technology, the low power, high speed and high integration of CMOS has been fully embodied. This paper mainly introduces the basic theory of CMOS inverter circuit. And the CMOS inverter circuit simulation and layout design that based on the Cadence.

Key Word: CMOS 、inverter circuit 、Cadence 、layout 一、引言

反相器是确实是所有数字设计的核心。一旦清楚理解了它的工作和性质，设计诸如逻辑门、加法器、乘法器和微处理器等比较复杂的结构就大大地简化了。这些复杂电路的电气特性几乎完全可以由反相器中得到结果推断出来。反相器的分析可以延伸来解释比较复杂的门（如NAND 、NOR 或XOR ）的特性，她们又可以形成建筑块来构成如乘法器和处理器这样的模块。

本论文将集中讨论反相器的工作原理和几种重要特性，并对反相器的设计作出相关的分析。

二、工作原理

1. CMOS 反相器电路

图1显示了一个CMOS 反相器的电路图，它由两只增强型MOSFET 组成，其中T N 为N 沟道结构，T P 为P 沟道结构。两只MOS 管的栅极连在一起作为输入端；漏极连在一起作为输出端。按照图1标明的电压与电流方向，I v =GSN v ,O v =DSN v ,并设DN i =DP i =D i 。为了能使电路正常工作，要求电源电压DD V 大于两只MOS 管的开启电压的绝对值之和，即DD V >（TN V +TP V ）。

2. 静态CMOS

反相器电路

图2显示了一个静态CMOS 反相器的电路图。它的工作原理是，当in V 为高并等于DD V 时，NMOS 管导通而PMOS 管截止。此时在out V 和接地点之间存在一个直接通路，形成一个稳态值0V 。相反，当输入电压为低时，NMOS 和PMOS 管分别关断和导通。在DD V 和out V 之间存在一条通路，产生了一个高电平输出电压。

3. CMOS 反相器的特性

CMOS 反相器是所有复杂电路的基本构建模块，比如逻辑门、加法器、乘法器等一些比较复杂的电路的电气特性几乎完全可以由反相器的工作和性质推断出来。下面分析CMOS 反相器的几种重要特性。

（1） 输出高电平和低电平分别为DD V 和GND 。换言之，电压摆幅等于电源电压。 （2） 逻辑电平与器件的相对尺寸无关，所以晶体管可以采用最小尺寸。

（3） 稳态时在输出和DD V 或GND 之间总存在一条具有有线电阻的通路。因此一个设计良好的CMOS 反相器具有低输出阻抗，输出电阻的典型值在 k 的范围内。

（4） CMOS 反相器的输入电阻极高，因为一个MOS 管的栅实际上是一个完全的绝

缘体，因此不取任何直流输入电流。由于反相器的输入节点只连到晶体管的栅上，所以稳态输入电流几乎为零。

（5） 在稳态工作的情况下电源线和地线之间没有直接通路（即此时输入和输出保持

不变）。没有电流存在（忽略漏电流）意味着该门并不消耗任何静态功率。

4．电压传输特性（VTC ）

电压传输特性的性质和形状可以通过图解法迭加NMOS 和PMOS 器件的电流特性来得到。以输入电压in V 、输出电压out V 和NMOS 漏电流DN I 作为选择的变量，可以将PMOS 器件的V I -曲线通过以下关系转换到一组公共坐标上。

DSp I =DSn I

GSn V =in V ；GSp V =in V -DD V DSn V =out V ；DSp V =out V -DD V

PMOS 器件的负载曲线可以通过对x 轴求镜像并向右平移DD V 来得到。这一过程概括在图3中，它显示了将原先的PMOS V I -曲线调整至公共坐标系in V 、out V 和Dn I 的一系列步骤。

所得到的负载线画在图4中，为使一个dc 工作点成立，通过NMOS 和PMOS 器件的电流必须相等。用图解法时这意味着dc 工作点必须出在两条相应负载线的交点上。图上标记了许多这样的点（对in V =0，0.5,1,1.5,2和2.5）。可以看到，所有的工作点不是在高输出电平就是在低输出电平上。因此反相器的VTC 显示出具有非常窄的过渡区。这是由于在开关过渡期间的高增益造成的，此时NMOS 和PMOS 同时导通且处于饱和状态。在这一工作区，输入电压的一个很小变化就会引起输出的很大变化。