第10讲 CMOS反相器

集成电路内部一般没有阻性负载(没有输出电流),设计
者应始终保持VOH=VDD(对CMOS电路容易实现),即使 VOH=0.99VDD也是不好的设计.
噪声容限(Noise Margins)
反映可靠性的 参数.
VOH NMH VIH NMH=VOH-VIH 内部 NMH=VDD-VIH
NMH称为高
电平噪声容限 NML称为低电 平噪声容限.
第10讲 CMOS反相器
电路结构和逻辑功能
反相器是CMOS数字电路性能设计的基准。其它 逻辑门的性能要按等价为反相器时的性能来考虑.
直流特性
1.传输特性曲线 输出电压随输入电压变化的曲线
直流参数VIH和VIL的物理意义
VIH 最小可靠输入高电平电压.完整的名称应为VIH(min). VIL 最大可靠输入低电平电压.完整的名称应为VIl(max).
由于两个管子都在饱和区，且电流相等，所以有
VSP计算公式为
无偏斜反相器
无偏斜反相器(unskewed)
p n
p n
p n
1 Vsp 百度文库VDD 2
高偏斜(high-skewed)
1 VSP VDD 2
1 VSP VDD 2
低偏斜(low-skewed)
反相器的传输延迟tphl和tplh
VDD VTHN VTNP
VGS1 Vin VTHN
VSG 2 VDD Vin VTHP
Vout Vin VDS 1
VDS1 VTHN VDS ,sat
VSD 2 VDD Vin VTHP VSD ,sat
故 两个管子都在饱和区.
转换点电压计算公式
反相器的动态功耗
充电平均电流 平均功耗
I avg
Qc VDD Ctot T T
2 Ctot VDD 2 Ctot VDD f clk T
Pavg VDD I avg
数字电路功耗的一般表达式
2 Pd k VDD f CL
由于一个复杂数字电路中只有一部分逻辑门在 时钟作用下发生状态变化，因此用平均开关行 为因子k修正。 数字电路的功耗与电源电压平方成正比，与频 率和负载电容成正比,减少k或CL是低功耗设计 手段。
VOH和VOL
VOH的一般定义是,最小合格高电平电压,VOL的一般定义是最大合
格低电平电压. CMOS集成电路内部总是规定VOH=VDD, VOL=0V.
在外部引脚有电流负载时,允许VOH略有下降,也允许VOL略有上升,
例如VOH(min)=0.9VDD, VOL(max)=0.1VDD
无偏斜PN比的计算
典型工艺中 VTHN VTHP
IDN=IDP
由定义转换点处Vin=Vout=VSP
要使VSP=1/2VDD，则
Wp Wn 即 n Cox p Cox Ln Lp
n p
由于L一般都 取最小，所以
n W n p
Wp
实际电路的PN比
“最佳PN比”是根据速度确定的,使用该PN比时,P
要使逻辑电路可靠工作,输入高电平电压必须大于
VIH,输入低电平电压必须小于VIL.
CMOS反相器VIH和VIL的定义
VIL:输入电压由低到高变 化时,输出电压开始下降且 传输特性曲线斜率为-1的 点,即图中A点对应的输入 电压. VIH:输入电压由高到低 变化时,输出电压开始上 升且传输特性曲线斜率 为-1的点,即图中B点对 应的输入电压.
VOL NML VIL NML=VIL-VOL 内部 NML=VIL
驱动门
负载门
理想传输特性
VIH=VIL=1/2VDD,具有最大的噪声容限.
实际传输特性
VSP称为转换点电压或反相器的阈值电压,如何使VSP=1/2VDD?
转换点处反相器中MOS管的工作状态
正常工作条件: 要使输出 电压变化, 必须有 由定义: 所以:
90%
10%
10%VDD的时间。
tr
tf
上升下降时间统称迁移时间（Transition time).另 有定义为20%到80%.
反相器实验
*----------反相器静态特性-------------.option post=2 .option search ="d:/hspice2011/libs" .lib "st02.lib" tt *-------------------------------------.param WX=1.5u m1 y a vdd vdd mp w=WX l=0.5u m2 y a gnd gnd mn w=1.05u l=0.5u v1 vdd gnd 5 v2 a gnd 0 .dc v2 0 5 0.01 sweep WX poi 3 1.05u 2.65u 6.05u .end
实验结果
高偏斜 无偏斜 低偏斜
反相器的PN比
PN比：一个设计中， 反相器的P管“宽长比”与N管“宽长比” 之比，即（WP/LP)/(WN/LN)。PN比与工艺相关,一般在1.5-3. ”最佳PN比”可采用以下方式两种方式之一确定 （1）根据静态特性：使反相器的转换点电压为1/2VDD。 （2）根据动态特性：使反相器的tplh和tphl相等。 两种方法本应一致，但实际略有区别。 典型情况LN=LP=L(min)，PN比等价于P管和N管的宽度比。
传输延迟的定义： 输入信号变化 50%VDD到输出信 号变化到50%VDD 的时间。
输入
50%
命名：从输出信号 的角度命名。tplh 是输出由低到高的 延迟，tphl是输出 有高到底的延迟。
输出
50%
tplh
tphl
上升时间和下降时间
上升时间：从 10%VDD上升到 90%VDD的时间。 下降时间：从 90%VDD下降到
管宽度较大,会导致面积和功耗增加. 实际设计中,普通反相器的PN比小于“最佳PN比”, 一般约等于最佳PN比的平方根. 驱动时钟信号的反相器的PN比按保证上升、下降 延迟相等的“最佳PN比”设计.
反相器的动态电流
输出电平 变化时才 有电流。
注意：测 功耗要看 电源的电 流，不是 输入信号 源电流。