数字集成电路基本单元与版图

n Vi
Vtn
Vdsn
V2 dsn 2
1
转移特性（续）
5. E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止， NMOS导通。
Vdsn = 0 |Vdsp| = Vdd Idsp = 0
等效电路如图所示。
1
转移特性（续）
综合上述讨论，CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流如图 所示。
Vo
(Vi
-
Vtn )2
n
n t ox
Wn Ln
称之为NMOS平方率跨导因子。
PMOS等效于非线性电阻：
Isdp
=
p[(Vi
-
Vdd
-
Vtn
)
( Vo
-
Vdd
)
-
1 2
(Vo
-
Vdd
)]
p
p Wp tox Lp
• 称之为PMOS平方率跨导因子。
在Idsn的驱动下，Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。等效电路如图所示。
Id s n
AB Vd d
Vo
D
E
C
0
Vtn
Vdd Vdd+Vtp Vdd
Vi
2
1
转移特性（续）
PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性。
A
B
C
D
E
PMOS on+++
on++
On+
On
off
NMOS off
on
on+
on++
on+++
1
转移特性（续）
对于数字信号，CMOS反相器静态时，或工作在 A区， 或工作在E区。 此时有：
数字集成电路基本单元与版图
1 TTL基本电路
2 CMOS基本门电路及版图实现
3 数字电路标准单元库设计 4 焊盘输入输出单元 5 了解CMOS存储器
1
1 TTL基本电路
VCC（5V）
Rb1 Rc2
Rc4
＋
T1
υ1
－
T2 Re2
T4
D ＋
T3 负 v0 载 －
GND
图1 TTL反相器的基本电路
2
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VCC
n (Vi -Vtn )2 = p (Vi -Vdd Vtp )2
Vi
Vdd
Vtp 1
Vtn n n / p
/p
如果n=p，且有 Vtn= -Vtp，则有 Vi = Vdd/2 但是，n (2-3) p，所以应有 Wp/Lp 2.5 Wn/Ln 由n=p，Vtn= -Vtp和Vi = Vdd/2，应有 VO = Vdd/2
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转移特性（续）
• 整个工作区可以分为五个区域来讨论：
1. A区：0 Vi Vtn
NMOS截止
Idsn = 0
PMOS导通 Vdsn = Vdd Vdsp = 0
等效电路如右图所示。
1
转移特性（续）
2. B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区，等效于一个电流源：
Idsn
=
n 2
2
CMOS反相器的瞬态特性
i) Vi从1到0, CL充电。
在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为： Vdsn：0Vdd |Vdsp|：Vdd0 ，即 123原点
2
CMOS反相器的瞬态特性
考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和状 态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算。
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2 CMOS反相器
1. 电路图
标准的CMOS反相器 电路如图所示。
注意1： • NMOS和PMOS的衬底是分开的， • NMOS的衬底接最低电位地， • PMOS的衬底接最高电位Vdd。
5
注意2：
• NMOS的源极接地， 漏极接高电位； • PMOS的源极接Vdd， 漏极接低电位。
注意3： 是输由入于信N号MVOi对S的两s管接来地说，，PM都O是S的加s接在gV和dds，之所间以，Vi但对 两管来说参考电位是不同的。
Rb1 Rc2
Rc4
A
B
T1
C
T4
T2
D
A
L
B T3
C Re2
& L ABC
（a）
GND
（b）
图3 具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路： （a）电路图，（b）符号
3
VCC
R1A
R2
R1B
A
T1A
T2A T2B
T1B
B
Re2
R4
T4
D L
T3
A
B
≥1
L AB
GND
（a）
GND
（b）
图4 TTL或非门 (a) 电路图 (b) 符号
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2. 转移特性（续）
• 在之直间流，电因路而上有，PMOS和NMOS串联连接在Vdd 和地
Vdsn - Vdsp = Vdd
• Isd，sn从是N负M值OS。的d流向s，是正值, Idsp从PMOS的d流向
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2. 转移特性（续）
把PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一样，把 PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上。如图所示
Is-s> 0， Pdc> 0 。
2
3. CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性与研究静态特 性不同的地方在于必须考虑负 载电容（下一级门的输入电容） 的影响。
脉冲电路上升，下降和延迟时 间的定义，即如图所示。
tr ： (Vo=10%VomaxVo=90%Vomax) tf ： (Vo=90%VomaxVo=10%Vomax) td ： (Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)
1
转移特性（续）
3. C区： Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区， PMOS也导通， 处于饱和区， 均等效于一个电流源，等效电路如 右图所示。此时有，
Idsn
=
n 2
(Vi
- Vtn )2
Idsp
=
p 2
(Vi
-
Vdd
Vtp )2
1
转移特性（续）
两个电流必须相等，即 Idsn = Isdp，所以
Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd ( O = 1 )
Is-s= 0
Vi = Vdd (I = 1) Vo = 0
(O=0)
Pdc= 0
从一种状态转换到另一种状态时，有：
(I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0)
Is-s 0 Ptr 0
1
转移特性（续）
对于模拟信号，CMOS反相器必须工作在B区和D 区之间，反相器支路始终有电流流通， 所以
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2. 转移特性
在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：
在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补
它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载：
它们都是增强型 MOSFET
对于NMOS有 对于PMOS有
Vi < Vtn Vi > Vtn
截止 导通
Vi > Vdd - |Vtp| 截止 对输入和输出信号V而i <言V，dd -P|MVtOp|S和N导M通OS是并联的
1
转移特性（续）
比(n/p)对转移特性的影响，如下图所示。
1
转移特性（续）
4. D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp
与B区情况相反： PMOS导通，处于饱和区， 等效一个电流源：
NMOS强导通，等效于非线性电阻：
•
I dsp
=
p 2
(Vi
- Vdd
Vtp )2
等效电路如图所示。
Idsn