反相器及CMOS反相器性能分析

RL增大
VIN
2023/4/7
关于负载电阻的讨论
为了使反相器的传输特性好
R
输入
在驱动管开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻足够小
负载 在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大
输出
驱动
MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同 而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K 欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶 硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米 的话，线长需为2mm。
2. VIN=VOH≈VDD时
N管导通,可将MOS等效为可变电阻RMOS
VDD
VDD
VIN=VGS
RL VOUT=VDS
RL
IR
VOUT
VOUT
RMOS RMOS RL
VDD
RMOS
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若RL>>RMOS则VOUT ≈0
❖ 电阻负载型反相器电压传输特性
VOUT
VDD
RL VOUT
VIN
Vin
Fra Baidu bibliotek
dVin
-VDS=VDD-Vout
Vout
N管工作在饱和区,P管工作在线性区
VGS=Vin
K
PK[2N ((VVDinDVVTNin
)2
|
VTP
|)(VDD
Vout
(1)
)
(VDD
Vout
)2 ]
对Vin求导，得
2K N (Vin VTN
)
2 K P [(VDD
Vin
| VTP
|)(
dVout dVin
VNMH VNML
"1" VOH
VOL "0"
Gate Input
VNML=VIL-VOL VNMH=VOH-VIH
Gate Output
二、电阻负载型反相 器
1. VIN=VOL≈0V时
N管截止
VDD RL
负载
VDD RL
VOUT=VDS
VOUT
VIN=VGS
驱动管
VOUT=VDD
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0.66Vout2 0.05Vout 6.65 0
Vout 0.05 0.052 4 0.66 6.65 2 0.66
0.05 4.19 2 0.66
Vout1 3.14V Vout2 3.17V
Vout 3.14V
VIL 0.57Vout 0.71 1.08V
in
n ME
VIN VDD 驱动管非饱和2 导通,负载管饱和导通
V 2K (VV V ) 有比电路 I
DSE nCox
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(W L
)
EI[D(VSDGSE 12VTEOKn)VCLRDoSx(WL12nnV)CCDDSoo(2xxV]((WGWLLSRD))nDCE Vox T(DDWTLD)D)2I [(V12DDnTVCETEox)V(WOLUT)DV12TVDO2UT
第5章 MOS反相器
MOS反相器的基本概念及静态特性 电阻型反相器 E/E MOS反相器 E/D MOS反相器 CMOS反相器
工作原理 CMOS反相器的静态特性 CMOS反相器的瞬态特性 MOS反相器的设计 三态反相器
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一、MOS反相器的基本概念及静态特性
1.MOS反相器基本概念
VOL
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dVout
VIH:仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压 1
dVin
VM（逻辑阈值）:输入等于输出
VIL VM VIH
Vin
电压传输特性
最大允许 电压
最小允许 电压
VOH
VOL
VIL
VOH
VIH
VOL
噪声
噪声
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高噪声容限
VIH 不定区
VIL
低噪声容限
INPUT
OUTPUT
INPUT 0 1
OUTPUT 1 0
OUTPUT
INPUT
输入=0v
3.3V
输出= 3.3v 输入=3.3v
3.3V 电流 输出= 0v
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Vout VOH
dVout 1 dVin
Vout=Vin
VOH:输出电平为逻辑”1”时的最大输出电压 VOL:输出电平为逻辑”0”时的最小输出电压 VIL:仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压
)
VDD (1)
(3)dVout 1
(2)
dV(4in )
(5)
N截止 N饱和 N非饱 N非饱
(VDD 令
ddVVVoouiuntt)(1) 1，(VD且D VVino=utV)(IL,得ddVVoiunt
)]
KR
KN KP
Vout
P非饱 P非饱 和和
VIL
2Vout
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VTP VDD 1 kR
VGS=Vin
K P (VDD Vin | VTP |)2 （1）
对Vin求导，得
VDD (1)
(3)dVout 1
(2)
dV(4in )
(5)
2KN [(Vin
VTN
)(dVout dVin
) Vout
Vout
dVout dVin
]
N截止 N饱和 N非饱 N非饱 P非饱 P非饱 和 和
Vout
Vin<Vout＋Vtp VDD+Vtp>Vin>Vout＋Vtp
CMOS反相器的几个重要参数
Vout VOH
dVout 1 dVin
Vout=Vin
VOL
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dVout 1 dVin
VIL VM VIH
Vin
-VGS=VDD-Vin
1. VIL的计算
VIN=VIL
dVout 1
V 12 gg (V V ) IIDDS有ISL 比nC12电ox W路nLC[o(xVWGLSI
OVLIN (VGSL VTHL )2
VDD
1 2
驱m动L 管非饱和导通,负载管饱和导通
nmCIox
(W L
DD )L (VDD
THL VOUT VTHL
)2
VTHI为)VD使S V12OVLD接S2 ]近 0，nCo要x (WL求)gI [m(VLD<D<gVmTHII
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CMOS反相器的传输特性
-VGS=VDD-Vin
VDD (1)
(3) (2) (4) (5)
-VDS=VDD-Vout
N截止 N饱和 N非饱 N非饱 P非饱 P非饱 和 和
Vin
Vout
和和
P饱和 P截止
Vout
VGS=Vin
NMOS Vin<Vtn Vin-Vtn<Vout Vin-Vtn>Vout
100[2(1.43Vout 1.17 0.6)Vout Vout2] 40(3.31.43Vout 1.17 0.7)2
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100[2(1.43Vout 1.17 0.6)Vout Vout2] 40(3.31.43Vout 1.17 0.7)2 2.61Vout2 6.94Vout 2.04 0
Vout －6.94
6.94 2＋4 2.61 2.04 2 2.61
OUTPUT
INPUT
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占面积很大，因此通常 用MOS管做负载
三、 E/E MOS反相 器
介绍饱和MOS负载反相器 只要开通，则工作在饱和区
n
Vds=Vgs>Vgs-Vth
out
V V V VIN 0 驱O动H管截止 DVODUT= VDD-TVHTHLL
in n
当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时 负载管关断
0.6V)in
1.43Vout
Vout
11..7117 dVout
dVin
1
VGS=Vin0
VIL VIH
V VDD
in
当VIN=VIH时,nMOS管工作在线性区,pMOS管工作在饱和区
则有: KN [2(Vin VTN )Vout Vout2 ] KP (VDD Vin |VTP |)2
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0.66Vout2 0.05Vout 6.65 0
Vout 0.05 0.052 4 0.66 6.65 2 0.66
0.05 4.19 2 0.66
Vout1 3.14V Vout2 3.17V
Vout 3.14V
VIL 0.57Vout 0.71 1.08V
Vin
Vout
VOL=0
当输入电压Vin为低电平时，PMOS 导通，NMOS截止，Vout=VDD
VOH=VDD
在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止 一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电 流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是 CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点 之一是低功耗。
)VOUT
1 2
VOUT
2
]
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❖ E/E MOS反相器电压传输特性
Vout
VDD-VT
n
Vin n
Vout
gmL/gmI减小
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Vin VIN
三、 E/D MOS反相 器
采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态
n MD out
V V VIN 0
驱动管截止
OH
VOUDT=DVDD
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VDD
(3)dVout 1
-VGS=VDD-V(i1n)
(2)
dV(4in ) (5)
VIH
VDD
VTp
KR (2Vout 1 KR
VTn )
N截止 N饱和 N非饱 N非饱
P非饱 P非饱-V和DS=V和DD-Vout
和 和 P饱和 P截止
Vout
3.3
0.7
2.5(2Vout 1 2.5
V (V)
M
1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
1 0.9
NMOS大
0.8
0
10
PMOS大
1
10
W /W
pn
0.25um晶体管 VDD=2.5v
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CMOS反相器的噪声容限
VIL
2Vout
VTP VDD 1 kR
kRVTN
VIH
VDD
VTP
kR (2Vout 1 kR
dV(4in ) (5) N非饱 N非饱
VIL
2Vout
VTp VDD 1 KR
K RVTn
Vin
Vout
P非饱 P非饱-V和DS=V和DD-Vout
和 和 P饱和 P截止
Vout
2Vout
0.7 3.3 1.5 1 2.5
0.5V7VGoSu=t Vi0n0.71
dVout 1 dVin
VIL VIH
令
dV2KoutP dVin
(VDD Vin | VTP |)
1，且Vin=VIH,得
和
VIH
VDD
VTP
kR (2Vout 1 kR
VTN )
（2）
0
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由（1）（2）式联立可求得VIH
和 P饱和 P截止
dVout 1 dVin
VIL VIH
V VDD
in
CMOS反相器的逻辑阈值
2
]
❖ E/D MOS反相器电压传输特性
n
out in n
VDD KR增大
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Vin
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四、 CMOS反相 器
由PMOS和NMOS 所组成的互补型电路叫做
CMOS
Vout
C：complementary
已成为目前数字集 成电路的主流
❖ CMOS反相器工作原理
当输入电压Vin为高电平时，PMOS 截止，NMOS导通，Vout=0
V VDD
in
当VIN=VIL时,nMOS管工作在饱和区,pMOS管工作在线性区
则有: K P[2(VDD Vin | VTP |)(VDD Vout ) (VDD Vout )2 ] K N (Vin VTN )2
40[2(3.3 0.57Vout 0.71 0.7)(3.3 Vout ) (3.3 Vout )2 ] 100 (0.57Vout 0.71 0.6)2
Vin>20V23o/u4t/7＋Vtn
VDS=Vout
Vtn<Vin<Vout＋Vtn
0
Vtn
V VDD＋Vtp VDD
in
截止 ▉ 饱和 ▉ ▉ 非饱和▉ ▉
PMOS
(VDD-Vin) <-Vtp
截止 ▉
(VDD-Vin) +Vtp> VDD -Vout 非饱和 ▉ ▉
(VDD-Vin) +Vtp< VDD -Vout 饱和 ▉ ▉
VTN )
NM L VIL VOL NM H VOH VIH
例 考虑一个具有如下参数的CMOS反相器电路：
VDD 3.3V,VTn 0.6V,VTp 0.7V, Kn 100A/V 2, Kp 40A/V 2
计算电路的噪声容限
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VDD
(3)dVout 1
解: 对于CMOS反相器来说,V-OVLG=S0=VV,VDDO-HV=N(i截31n).止3VN(饱2)和
kRVTN (2)
0 由（1）（2）式联立可求得VIL
VIL
和和 P饱和 P截止
dVout 1 dVin
V VIH
VDD
in
-VGS=VDD-Vin
2. VIH的计算
VIN=VIH
dVout 1
Vin
dVin
-VDS=VDD-Vout
Vout
N管工作在线性区,P管工作在饱和区
K N [2(Vin VTN )Vout Vout 2 ]
VDD
-VGS=VDD-Vin
-VDS=VDD-Vout
Vin
Vout
VM
VGS=Vin
VIN
N管和P管均工作在饱和区
K N (Vin VTN )2 K P (VDD Vin | VTP |) 2
令 VM=Vin 得
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VM
VDD VTP 1
VTN KR
KR
逻辑阈值与晶体管尺寸的关系