第三章 CMOS反相器介绍及设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
V0
V0=0 如图e——f段。
a----b Vdd
b----c c----d d----e e----f
Vi Vth
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
CMOS反相器有以下优点：
（1）传输特性理想，过渡区比较陡
（2）逻辑摆幅大：VOH=VDD, VOL=0 （3）一般VM位于电源Vdd的中点，即VM=VDD/2，
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
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。
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
Watts Watts
功率和能量
功率是指曲线的高度
简单的低功耗设计只需降低速度
Approach 1
Approach 2
time 能量是指曲线的面积
上述两种方法的能量相同 Approach 1
Approach 2
Vi
Vo Vi Vtp
Vi Vtp Vdd
2 n p
Vi Vtn
2
如图b——c段
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
V0
V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时：
Vdd
n饱和 p饱和 由In=-Ip得：
Vi
nVtn p Vdd Vtp
GAIN
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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 下降时间 输出电压从V90%下降到V10%所需的时间
PHL
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
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
E：NMOS线性 PMOS截止
A：NMOS截止
PMOS线性 B：NMOS饱和
PMOS线性 C：NMOS饱和
PMOS饱和 D：NMOS线性
PMOS饱和
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
VM（ VIN＝VOUT） 的确定 在VM处，nMOS和pMOS均处于饱和区
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
VIH的确定
在VIN＝VIH处，nMOS处于线性区，pMOS处于饱和区
IDn
1 2
Wn Ln
nCox
2
VIN VTn
VOUT VOUT 2
IDp
1 Wp 2 Lp
pCox
VIN VDD VTp
2
对上式求导
dVOUT 1 dVIN
VIN＝VIH
kn VIH VTn 2VOUT kp VIH VTp VDD
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。
dVOUT 1 dVIN
VOUT VIN dVOUT 1 dVIN
VIL VM VIH
VTC－直流下，将Vout描述为Vin的函数
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
阈值电压 VM－VTC曲线中 VOUT VIN 的点
VOH：当输出电平为逻辑“1”时的最小输出电压，转折点
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
2、直流电压传输特性 VTC Voltage Transfer Characteristics
– 能量－延迟积 Energy-delay product (EDP) = PDP * tp = Pav * tp2
b
c
a
d
Lower EDP
1/Delay better
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
反相器中功耗
E = CL VDD2 P01 + tsc VDD Ipeak P01 + VDD Ileakage
定义
dVOUT 1的原因 dVIN
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
4、再生能力 regeneration
再生能力可以确保受干扰的信号经过有限数量的逻辑过程后能够回到正常 的额定值。
time
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
f01 = P01 * fclock
P = CL VDD2 f01 + tscVDD Ipeak f01 + VDD Ileakage
动态、Dynamic power
静态、Shortcircuit power
Leakage power
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
3、噪声容限
定义噪声容限：数字电路中对噪声的 容忍量。 电路的抗噪声干扰能力随噪 声容限（NM）的增加而增加。
NMH
低电平信号的噪声容限NML：
NML＝VIL－VOL
NML
高电平信号的噪声容限NMH： NMH＝VOH－VIH
Noise Margin
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
PLH
输入电压下降到V50%时和输出电压 上升到V50%时之间的延迟时间
延迟时间tp
三、功率和能量
• 功率，Power 单位：瓦 Watts – 单位时间内的能量，决定了电池的寿命
峰值功率 – 影响电源线的布置、封装、噪声和可靠性
• 能量 单位：焦耳 Joules Energy = power * time（delay） – Joules = Watts * seconds – 电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的操作需要较低的 功率
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
VIN VDD VTp
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
理想情况
再生能力抑制噪声
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
最大噪声容限
理想反相器
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
V0
V0=0 如图e——f段。
a----b Vdd
b----c c----d d----e e----f
Vi Vth
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
CMOS反相器有以下优点：
（1）传输特性理想，过渡区比较陡
（2）逻辑摆幅大：VOH=VDD, VOL=0 （3）一般VM位于电源Vdd的中点，即VM=VDD/2，
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
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。
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
Watts Watts
功率和能量
功率是指曲线的高度
简单的低功耗设计只需降低速度
Approach 1
Approach 2
time 能量是指曲线的面积
上述两种方法的能量相同 Approach 1
Approach 2
Vi
Vo Vi Vtp
Vi Vtp Vdd
2 n p
Vi Vtn
2
如图b——c段
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
V0
V0+Vtp≤Vi≤V0+Vtn时：
Vdd
n饱和 p饱和 由In=-Ip得：
Vi
nVtn p Vdd Vtp
GAIN
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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 下降时间 输出电压从V90%下降到V10%所需的时间
PHL
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
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
E：NMOS线性 PMOS截止
A：NMOS截止
PMOS线性 B：NMOS饱和
PMOS线性 C：NMOS饱和
PMOS饱和 D：NMOS线性
PMOS饱和
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
VM（ VIN＝VOUT） 的确定 在VM处，nMOS和pMOS均处于饱和区
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
VIH的确定
在VIN＝VIH处，nMOS处于线性区，pMOS处于饱和区
IDn
1 2
Wn Ln
nCox
2
VIN VTn
VOUT VOUT 2
IDp
1 Wp 2 Lp
pCox
VIN VDD VTp
2
对上式求导
dVOUT 1 dVIN
VIN＝VIH
kn VIH VTn 2VOUT kp VIH VTp VDD
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。
dVOUT 1 dVIN
VOUT VIN dVOUT 1 dVIN
VIL VM VIH
VTC－直流下，将Vout描述为Vin的函数
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
阈值电压 VM－VTC曲线中 VOUT VIN 的点
VOH：当输出电平为逻辑“1”时的最小输出电压，转折点
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
2、直流电压传输特性 VTC Voltage Transfer Characteristics
– 能量－延迟积 Energy-delay product (EDP) = PDP * tp = Pav * tp2
b
c
a
d
Lower EDP
1/Delay better
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
反相器中功耗
E = CL VDD2 P01 + tsc VDD Ipeak P01 + VDD Ileakage
定义
dVOUT 1的原因 dVIN
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
4、再生能力 regeneration
再生能力可以确保受干扰的信号经过有限数量的逻辑过程后能够回到正常 的额定值。
time
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
f01 = P01 * fclock
P = CL VDD2 f01 + tscVDD Ipeak f01 + VDD Ileakage
动态、Dynamic power
静态、Shortcircuit power
Leakage power
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
3、噪声容限
定义噪声容限：数字电路中对噪声的 容忍量。 电路的抗噪声干扰能力随噪 声容限（NM）的增加而增加。
NMH
低电平信号的噪声容限NML：
NML＝VIL－VOL
NML
高电平信号的噪声容限NMH： NMH＝VOH－VIH
Noise Margin
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
PLH
输入电压下降到V50%时和输出电压 上升到V50%时之间的延迟时间
延迟时间tp
三、功率和能量
• 功率，Power 单位：瓦 Watts – 单位时间内的能量，决定了电池的寿命
峰值功率 – 影响电源线的布置、封装、噪声和可靠性
• 能量 单位：焦耳 Joules Energy = power * time（delay） – Joules = Watts * seconds – 电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的操作需要较低的 功率
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
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
VIN VDD VTp
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
理想情况
再生能力抑制噪声
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
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
Department of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
最大噪声容限
理想反相器