《数字集成电路设计》[课件-第五章5.4.1-5.4.2].ppt

CMOS 反相器延时分析: Approach 2
例3.8 MOS管平均导通电阻Req
VDD
Vout
CL
Req
一阶线性RC电路
Vin = VDD © Digital Integrated Circuits2nd
tpHL = f(Req.CL)
= 0.69 ReqCL
Inverter
延时
由一个电压阶跃激励时，电路的传播延时正比于这个电路的下 拉电阻和负载电容形成的时间常数
栅漏电容Cgd12 扩散电容Cdb1和Cdb2 连线电容Cw 扇出的栅电容Cg3 和Cg4
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Inverter
• 栅漏电容Cgd12 在输出过渡的前半部，M1和M2不是断开就是处在饱和模式，
Cgd12只包括M1和M2的覆盖电容，沟道电容不起作用(处于栅-体 或栅-源之间)。
t pHL ln(2)ReqnCL 0.69 ReqnCL
由低至高的传播延时
t pLH ln(2)ReqpCL 0.69 ReqpCL
这一分析假设等效的负载电容对于由高至低及由低至高的翻转 近似相同
反相器总传播延时 tp = 0.69 CL (Reqn+Reqp)/2
相同的上升/下降延时可通过 使（Reqn=Reqp）实现
0.23
0.61 2.89 fF
0.90 1.15 0.76
3.16 fF
2.28 0.12
CL
6.16
本征电容=外部负载电容
Cgd1+Cgd2+Cdb1+Cdb2=Cg3+Cg4+Cw
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6.05 Inverter
5.4.2 传播延时：一阶分析
集总电容模型要求用接地电容来代替浮空的栅漏电容，通过
密勒效应实现：一个在其两端经历大小相同但相位相反的电压
摆幅的电容可以用一个两倍于该电容值的接地电容代替。
P141- Fig 5.14
Cgd=2Cgd0W
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Inverter
• 扩散电容Cdb1和Cdb2 漏和体之间的电容来自反向偏置的pn结。这样的电容是高
CMOS 反相器延时分析: Approach 1
VDD
对电容充放电电流积分
t p
v2 CL (v)dv v1 i(v)
CL和i是V的非线性函数
Vout
Iav
CL
tpHL= C
Vswing/2 Iav
Vin = VDD © Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
例5.4
本征电容：由扩散电容和覆盖电容组成 外部负载电容：由导线和所连接的门组成
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Inverter
CMOS Inverters
PMOS 9l/2l
In Polysilicon
NMOS 3l/2l
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VDD
5+5+9=19 λ (PD) 5×9 λ2=45λ2（AD）
0.25 mm =2l Out
Metal1 42 λ2 4×4 λ2 + 19 λ2(AD) 3×1 λ2
GND 5+4+4+1+1=15 λ(PD)
Inverter
电容
表达式
值 fF（H→L） 值 fF（L→H）
Cgd1 Cgd2 Cdb1 Cdb2 Cg3 Cg4 Cw
=31.7ps
1.5
tpLH
Vout(V)
1 tpHL 0.5 =39.9ps
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
t (sec)
瞬态响应SPICE模拟结果
2CGDOnWn
0.23
2CGDOpWp
3 fF 0.61
KeqnADnCj+KeqswnPDnCjsw
0.66
KeqpADpCj+KeqswpPDpCjsw
1.5
CGDOnWn+CGSOnWn+COXWnLn
3.16 fF
CGDOpWp+CGSOpWp+COXWpLp
0.76 2.28
提取参数
0.12
度非线性的，并且在很大程度上取决于所加的电压。
可用一个线性电容来代替非线性电容，使这个线性电容在
所关注的电压范围内的电荷变化与非线性电容相同。
Ceq = KeqCj0 （零偏结电容）
Keq
0m
Vhigh Vlow
1 m
0 Vhigh 1m 0 Vhigh 1m
结电容用一个线性电容来代替，电压和电流波形会有微小
误差，但该简化对逻辑延时没有明显的影响。例5.3 P20-Pic1.19
• 连线电容
由连线引起的电容取决于连线的长度和宽度，并且与扇出
离开驱动门的距离和扇出门的数目有关。
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Inverter
• 扇出的栅电容Cg3和Cg4
Cfan-out=Cgate(NMOS)+Cgate(PMOS)
5.4 动态特性:
传输延迟
反相器传播延时取决于它分 别通过PMOS和NMOS管充电和放 电负载电容所需要的时间。
使 CL 尽 可 能 小 是 实 现 高 性 能 CMOS电路的关键。
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Inverter
5.4.1. 计算电容值
非线性导致计算复杂 — 假设所有的电容一起集总成一个单 个的电容CL，位于Vout和GND之间 P141- Fig 5.13 Vin理想电压源驱动，连至输出节点的电容CL
CGSOn CGDOn Wn LnCox CGSOp CGDOp Wp LpCox
在两方面进行简化： 1. 它假设栅电容的所有部分都连在Vout和GND(VDD)之间，并
忽略了栅漏电容上的密勒效应（对精度影响较小）。 2. 近似认为所连接门的沟道电容在我们所关注的时间内保持不
变。（工作状态差异：Pic3.31）忽略电容的这一变化会使估 计值产生大约10％的误差，但对一阶分析是可以接受的。
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Inverter
EXP5.5: 0.25 um 反相器 的传播延时
? CGD of Inverter
3
Vin
2.5
Vout
CLHL=6.1fF
VDD=2.5V Reqn=13kΩ
CLLH=6.0fF Reqp=31kΩ
2
(W/L)n=1.5 (W/L)p=4.5