第三章 CMOS反相器介绍及设计
CMOS反相器课件
2019/11/14
图2-31 CMOS模拟开关
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② CMOS三态门 当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。
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图2-32 CMOS三态门 (a)电路 (b) 逻辑符号
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2.6 CMOS门电路和TTL门电路的 使用知识及相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
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2.5.1 CMOS反相器
MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二 者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。
1．MOS管的开关特性
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（1）NMOS管的开关特性 D接正电源
若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），
uI在0~VDD 之间变化时，VTP和VTN均截止， 即传输门TG截止。
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（3） 应用举例
① CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。
8
UIH= VDD
截止
UOL≈ 0V 导通
当uI = UIH = VDD ， VTN导通， VTP截止，
uO
=UOL≈0V
图2-26 CMOS反相器
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（3）逻辑功能 实现反相器功能（非逻辑）。
（4）工作特点 VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过
VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而 CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突 出的优点之一。
COMS反相器原理
Y
VDD
B
图3-5-14 带缓冲级的与非门
A
上述电路虽然简单;但存在一些严重缺点： 1 输出电阻受输入端状态的影响； 2 当输入端数目增多时;输出低电平也随着相应提高;使低电平噪声容限降低
3 5 CMOS电路
3 5 1 CMOS反相器工作原理
3 5 2 CMOS反相器的主要特性
3 5 3 CMOS传输门
3 5 4 CMOS逻辑门电路
3 5 5 CMOS电路的锁定效应及 正确使用方法
图351 CMOS反相器
D
G
S
S
G
D
vO
VDD
TL
T0
vI
3 5 1 CMOS反相器工作原理
CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成 通常P沟道管作为负载管;N沟道管作为输入管
第一种形式： 在反相器基础上增加一对P沟道T'P和N沟道T'N MOS管 当控制端为1时;T'P和T'N同时截止;输出呈高阻态；当控制端为0时;T'P和T'N同时导通;反相器正常工作 该电路为低电平有效的三态输出门
EN
图3516 三态输出CMOS门结构之二
A
Y
VDD
≥1
TN
TP
A
Y
&
TN
当输入vI为高电平时;负载管截止;输入管导通;负载电流IOL灌入输入管;如图356 所示 灌入的电流就是N沟道管的iDS;输出特性曲线如图357 所示 输出电阻的大小与vGSNvI有关;vI越大;输出电阻越小;反相器带负载能力越强
CMOS反相器的分析与设计
CMOS反相器的分析与设计CMOS反相器是一种使用CMOS技术实现的逻辑门电路，它具有低功耗、高速度、高噪声容限和广泛的工作电压范围等特点，因此在数字集成电路中得到广泛的应用。
本篇文章将从分析和设计两个方面展开，详细介绍CMOS反相器的原理和设计方法。
首先，对于CMOS反相器的分析来说，我们需要了解CMOS电路的基本结构和工作原理。
CMOS电路使用PMOS和NMOS两种晶体管组成，PMOS晶体管的源极接VDD，栅极接输入信号，漏极接到输出端；NMOS晶体管的源极接GND，栅极也接输入信号，漏极接到输出端。
当输入信号为高电平时，PMOS导通，NMOS截止，输出端输出低电平；当输入信号为低电平时，PMOS截止，NMOS导通，输出端输出高电平。
因此，CMOS反相器的输出电平与输入电平相反，实现了信号的反相功能。
接下来，我们来讲解CMOS反相器的设计方法。
CMOS反相器的设计包括尺寸比例设计和电压范围选择两个方面。
首先是尺寸比例设计。
在CMOS反相器的设计中，我们需要确定PMOS和NMOS晶体管的尺寸比例。
一般情况下，PMOS晶体管的尺寸要大于NMOS晶体管的尺寸，这样可以提高输出驱动能力和提高噪声容限。
然而，尺寸比例的选择也需要注意当PMOS尺寸增大时，功耗和延迟也会增加。
因此，在设计CMOS反相器时，需要在输出驱动、功耗和延迟之间进行平衡，根据具体的应用需求选择合适的尺寸比例。
其次是电压范围选择。
CMOS反相器使用两种不同的电压源：VDD和GND，因此，使用过大或过小的电压会导致晶体管的饱和和截止，从而影响电路的正常工作。
一般情况下，选择合适的电压范围可以提高CMOS反相器的性能。
在实际设计中，通常采用工作电压为3.3V或5V来保证CMOS反相器的正常工作。
最后，我们还需要考虑一些其他因素来优化CMOS反相器的设计。
比如，为了减小功耗和提高速度，可以采用低阈值的NMOS晶体管；为了减小噪声干扰，可以采用电源抗噪声滤波电路；为了减小晶体管的串扰效应，可以采用电源导线的并联等。
CMOS反相器的分析与设计
CMOS反相器的分析与设计CMOS反相器由一对互补金属氧化物半导体场效应晶体管（n型MOSFET和p型MOSFET）组成。
n型MOSFET和p型MOSFET分别由n型沟道和p型沟道构成。
它们的沟道接在一起，形成一个共用的沟道。
根据输入电压的高低，CMOS反相器能够在输出端产生相反的电平。
CMOS反相器的工作原理是利用MOSFET的负阈值特性，即当输入电压高于一些阈值电压时，MOSFET处于关断状态；当输入电压低于阈值电压时，MOSFET处于导通状态。
CMOS反相器由这两个互补的MOSFET构成，保证了输入电压上升时一个MOSFET关闭，另一个MOSFET打开，输出电压下降；输入电压下降时，一个MOSFET打开，另一个MOSFET关闭，输出电压上升。
这样就实现了电平的反转。
1.确定输入输出电平：根据电路的需求，确定输入输出电平的高低电压范围，并根据具体电路的工作电压确定电源电压。
2.选择适当的MOSFET：根据设计要求，选择合适的n型MOSFET和p 型MOSFET，以满足工作电流和电压要求。
3.确定电阻参数：根据MOSFET的特性，选择合适的电阻参数来限制输入电流和确定电路的放大倍数。
4.确定电容参数：根据电路的带宽要求，确定输入和输出端的负载电容。
5.确定工作频率：根据电路的工作频率要求，确定MOSFET的开启和关闭时间。
6.进行电路仿真：通过电路仿真软件，验证设计的正确性和性能。
CMOS反相器的设计可以通过电路仿真软件如LTSpice来实现。
首先，根据设计要求选择适当的MOSFET，并确定电源电压和电阻电容参数。
然后，通过电路仿真软件搭建CMOS反相器电路，并进行仿真分析。
通过观察输入电压和输出电压的波形曲线，验证电路的正确性和性能。
如果需要进一步优化电路性能，可以通过调整各个元器件的参数来实现。
总结起来，CMOS反相器是一种常见的数字逻辑门电路，利用MOSFET的特性来实现输入输出电平的反转。
集成电路课程设计--cmos反相器的电路设计及版图设计
目录摘要 (3)绪论 (5)1软件介绍及电路原理 (6)1.1软件介绍 (6)1.2电路原理 (6)2原理图绘制 (8)3电路仿真 (10)3.1瞬态仿真 (10)3.2直流仿真 (11)4版图设计及验证 (12)4.1绘制反相器版图的前期设置 (12)4.2绘制反相器版图 (13)4.3 DRC验证 (15)结束语 (17)参考文献 (18)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。
本文将简单的介绍基于ORCAD和L-EDIT的CMOS反相器的电路仿真和版图设计，通过CMOS反相器的电路设计及版图设计过程，我们将了解并熟悉集成电路CAD的一种基本方法和操作过程。
关键词：CMOS反相器ORCAD L-EDIT版图设计AbstractThe huge development potential of CMOS technology itself is the foundation of sustainable development of IC high speed. The manufacturing level of development of the integrated circuit to the deep sub micron technology, CMOS low power consumption, high speed and high integration have been fully reflected. In this paper, the circuit simulation and layout design of ORCAD and L-EDIT CMOS inverter based on simple introduction, through the circuit design and layout design process of CMOS inverter, we will understand and a basic method and operation process, familiar with IC CAD.Keywords: CMOS inverter layout ORCAD L-EDIT绪论20世纪是IC迅速发展的时代。
最新CMOS反相器的分析与设计汇总
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性
Vin=VTN的垂直线： NMOS截止/导通
Vin=VDD+VTP的垂直 线：PMOS导通/截 止
Vin－VTN=Vout的斜线 ：NMOS饱和区/线 性区
Vin－VTP=Vout的斜线 ：PMOS线性区/饱 和区
16
Voltage Transfer Characteristic(VTC)
总上升时间：
tr
CL
KP
VTPV10% VDDVTP 2
2(VDD1VTP)lnVDDVDD V90% V90% 2VTP
34
K CLPV VTDPD0V.1TP VD2D2(VDD1VTP)ln1.9V0D .1DVDD 2VTP
3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间
(2) 阶跃输入的下降时间
21 Kr
VinVTPVDD22
Vout随Vin的增加而非线性地下降。
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3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性
(5) VDD≥Vin≥VDD+VTP，NMOS线性， PMOS截止
ID PID NK N V inV T N2V inV T NV out 2 0
V out 0
Vin在一定范围变化(VDD+VTP ～ VDD)，Vout始终保持0。
VTC的转变区： Ion ≠ 0
Vin=Vit时， Ion达到最大值：
Ipeak KN Vit VTN 2 KP Vit VTP VDD 2
20
3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限
直流噪声容限：允许的输入电平 变化范围
由单位增益点确定噪声容限：
✓ 在VTC的(2)区和(4)区，分别可 以找到增益为1的位置；
CMOS反相器
CMOS反相器由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。
由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。
下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。
为了电路能正常工作，要求电源电压V DD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即V DD＞(V TN＋|V TP|) 。
1.工作原理首先考虑两种极限情况：当v I处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当v I处于逻辑1时，相应的电压近似为V DD。
假设在两种情况下N沟道管T N为工作管P沟道管T P为负载管。
但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
下图分析了当v I=V DD时的工作情况。
在TN的输出特性i D—v DS（v GSN ＝V DD）(注意v DSN=v O)上，叠加一条负载线，它是负载管T P在v SGP=0V 时的输出特性i D－v SD。
由于v SGP＜V T（V TN=|V TP|=V T），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。
两条曲线的交点即工作点。
显然，这时的输出电压v OL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。
这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）下图分析了另一种极限情况，此时对应于v I＝0V。
此时工作管T N在v GSN ＝0的情况下运用，其输出特性i D－v DS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管T P在v sGP＝V DD时的输出特性i D－v DS。
由图可知，工作点决定了V O＝V OH≈V DD；通过两器件的电流接近零值。
可见上述两种极限情况下的功耗都很低。
由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V DD，而功耗几乎为零。
2.传输特性下图为CMOS反相器的传输特性图。
图中V DD=10V，V TN=|V TP|=V T= 2V。
第三章-CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 第一页 上一页 下一页
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BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数 载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型 器件。
MOS管是一种电压控制器件(uGS~ iD) ，工作时， 只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。
MOS管因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好， 输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。
3.3.3 其它类型的CMOS门电路
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1. 其他逻辑功能的CMOS门电路（P91~93）
在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器外常用的还 有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等 。 2. 漏极开路的门电路（OD门）
如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结 构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的 OC门类似。
强。
原因：TTL的输出电阻小。5mA内 变化很小IOH
实际只有0.4mA
21
3.3.4 CMOS反相器的动态特性（门电第路一页状上态一页切下一换页 时最一后页
结束 放映
所呈现的特性）
tPLH：输出由低电平变为高电平的传输延迟时间 tPHL：输出由高电平变为低电平的传输延迟时间
22
CMOS反相器传输延迟的原因：
24
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结束 放映
漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）
VDD1
内部逻辑 A B
VDD2 使用时必须外接上拉电阻
D vO
G
TN•
S
RL
Y=(AB)'
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dVOUT dVIN
1
VOL：当输出电平为逻辑“0” 时的最大输出电压
VIL：当输入电平为逻辑“0” 时的最大输入电压
VIH：当输入电平为逻辑“1” 时的最小输入电压
五个关键的电压，完全决定了VTC、 噪声容限及过渡区的位置和宽度。
在数字电路中，逻辑值不是由单一量化电压值决定，而是相应的电压区 间。逻辑“0”区域，逻辑“1”区域。
具有相等的噪 声容限
NML＝NMH
非对称情形1 一旦VIN>VTn, NMOS开启，即导通
非对称情形2 一旦VIN低于
, PMOS开启，即导通
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
KR KR KR KR
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
一、结构特点
第二节 CMOS反相器
IN
❖nMOS和pMOS交替导通 ❖高电Dep平artm－ent“of M1ic”roe为lectrVonDicsD, P，KU低，X电iaoy平an L－iu “0”为
二、CMOS反相器的直流电压传输特性
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– 能量－延迟积 Energy-delay product (EDP) = PDP * tp = Pav * tp2
b
c
a
d
Lower EDP
1/Delay better
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反相器中功耗
E = CL VDD2 P01 + tsc VDD Ipeak P01 + VDD Ileakage
理 想
实际反相器 逻辑1
反
VOH V VMAX
相
器
逻辑0
VMIN V VOL 不定区
VOL V VOH
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2、直流电压传输特性 VTC Voltage Transfer Characteristics
VOUT VDD
VOUT VDD
2
对上式求导
dVOUT 1 dVIN
VIN＝VIL
kn VIL VTn kp 2VOUT VIL VTp VDD
2V V V k V OUT Tp DD R Tn V IL
1 k Department of MicroRelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
CMOS反相器直流特性的计算
Tp Ip
Vi
V0
Tn
In
Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，VoH=Vdd Vi2为高电平时：Tn导通，Tp截止，VoL=0
电流方程如下：设 Vtn=-Vtp
V V 0 0
i
截止
tn
In
n
2
V iV tn
V V V V 2
电源电压VDD的变化
Vout (V) Vout (V)
2.5
0.2
2
0.15
1.5
0.1
1
0.05
0.5
Gain=-1
0
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vin (V)
Vin (V)
器件的阈值电压始终不变
直流导通电流随输入、输 出电平的变化而变化，在 VIN＝VM时最大
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饱和
tn
i
0
tn
n 2
V iV tn
2
V iV tnV 0
V V 2
0
tn
V i 线性
V V V V
0
dd
tp
i
截止
dd
I
p
p
2
V iV tpV dd
V V V V V 2
饱和
0
tp i
dd
tp
p 2
V
i
V
tp
V
dd
2
V iV tpV 0
V V V 2
i
0
线性
tp
V0
Vdd
0≤Vi<Vtn时： n截止 p线性 （Vi<vtn<v0+Vtp） p管无损地将Vdd传送到输出端：
Vth
V0=Vdd， 如图a——b段。 Vtn≤Vi<V0+Vtp时：
n饱和 p线性 由In=-Ip得：
a----b b----c c----d d----e e----f
time
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电路的优值
• 功耗－延迟积 Power-delay product (PDP) = Pav * tp = (CLVDD2)/2 – PDP 每个开关动作所需的平均能量 (Watts * sec = Joule)
噪声影响下的数字信号传播
在噪声容限内 前级反相器输出的逻辑1能够被 后级反相器识别 前级反相器输出的逻辑0能够被 后级反相器识别
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设在无噪声条件下，输入电压和输出电压间的关系为 VOUT f VIN
理想情况
再生能力抑制噪声
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再生的条件
为了具备再生能力，在VTC的不定区域具有大于1的增益
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最大噪声容限
理想反相器
VIH
VDD VTp kR (VTn VOUT ) 1 k Department of MicroRelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
在对称情形中 VTn＝-VTp
VIH＋VIL＝VDD
低电平信号的噪声容限NML： NML＝VIL－VOL＝VIL
高电平信号的噪声容限NMH： NMH＝VOH－VIH ＝ VDD－VIH
n p
Vth
V0与Vi无关，如图c——d段。
V0+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时：
n线性 p饱和 由In=-Ip得：
a----b b----c c----d d----e e----f
Vi
V 0 Vi Vtn Vi Vtn
如图d——e段。
2
p n
Vi
Vtp
Vdd
2
Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时： n线性 p截止
第三章 CMOS反相器
第一节 反相器的特性 第二节 CMOS反相器 第三节 CMOS反相器的设计 第四节 环振和反相器链
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第一节 反相器的特性
一、直流特性
1、定义
符号
真值表
反相器是实现只有一个输入变量的最基本的逻辑门电路
通常阈值 电压固定 VTn＝-VTp VM受kR＝kp/kn （kR反相器的比 Department of Microelectronics, PKU，Xi例aoya因n L子iu 的控制）
对称情形
VTn＝-VTp
若 n 2p
此时为理 想反相器 的值
通常
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如果输入信号由于噪声而偏离额定值，则输出电压也会偏离原先的额定值
V ' OUT
f
VIN
dVOUT dVIN
VIN 高阶项（忽略）
扰动后的电压＝额定电压＋增益x外部干扰
如果输出电压的增益的数量级小于1，则输入扰动不会被放大，因而造成的 输出扰动较小；否则，输入端的小小干扰将会使输出电压有一很大的扰动。
Vi
Vo Vi Vtp
Vi Vtp Vdd
2 n p
Vi Vtn
2
如图b——c段
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V0
V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时：
Vdd
n饱和 p饱和 由In=-Ip得：
Vi
nVtn p Vdd Vtp
GAIN
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二、反相器的动态特性 延迟时间的定义
上升时间 输出电压从V10%上升到V90%所需的时间 下降时 输出电压从V90%下降到V10%所需的时间
PHL
输入电压上升到V50%时和输出电压 下降到V50%时之间的延迟时间
VIL的确定
在VIN＝VIL处，nMOS处于饱和区，pMOS处于线性区
IDn
1 Wn 2 Ln
nCox
VIN VTn
2
IDp
1 Wp 2 Lp
pCox
2
VIN
VDD
VTp
VOUT VDD
VOUT VDD
2
Wn
Ln
nCox
VIN VTn
2
Wp Lp
pCox
2