第七章_MOS反相器

1、1第七章第七章 MOS反相器反相器 MOS反相器特性的分析是反相器特性的分析是MOS基基本邏輯門(mén)電路分析的重要基礎(chǔ)本邏輯門(mén)電路分析的重要基礎(chǔ) 。SUTSUT2基本知識(shí)提示：基本知識(shí)提示：0 K (VGS-VT)2 K 2(VGS-VT) VDS-VDS2 K=K (WL)K= Cox2Cox= ox otox VT VBS2q si oNBCox =IDS=NMOS:截止截止飽和飽和非飽和非飽和NMOS PMOS 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型 四端器件四端器件襯底偏置效應(yīng)：襯底偏置效應(yīng)：溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)(短溝效應(yīng)短溝效應(yīng)): =L1 Xd VDSSUTSUT37.1 電阻負(fù)載電阻

2、負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理VOH=VDD(VDDVOH)/RL=0Vi為低電平為低電平VOL時(shí)，時(shí)，MI截止截止Vi為高電平為高電平VOH時(shí)，時(shí)，MI非飽和非飽和(VDDVOL ) /RL =KI 2(VOH -VTI)VOL-VOL2 ViVoRLVDDMI VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)其中其中:KI=WL( )ox o2toxSUTSUT47.1 電阻負(fù)載電阻負(fù)載NMOS反相器反相器2. 基本特性基本特性RL若?。喝粜。篤OL高，高，功耗大，功耗大， tr小小;W/L若小若小(即即KI小小)：VOL高，功高，功耗小耗小,，tf大。大。V

3、iVoRLVDDMNRL減小VILVIHVOHVOLVoVi0 VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)0VitVDD0VotVDDSUTSUT57.2 E/E飽和負(fù)載飽和負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMLMIVOH=VDD VTL KL(VDD-VOH-VTL)2=0Vi為低電平為低電平VOL時(shí)時(shí),MI截止截止,ML飽和飽和Vi為高電平為高電平VOH時(shí)時(shí),MI非飽和非飽和,ML飽和飽和KL(VDD-VOL-VTL)2=KI2(VOH-VTI)VO-VO2其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)LVOL (VDD VTL )22

4、R(VOH VTI)有比電路有比電路SUTSUT67.2 E/E飽和負(fù)載飽和負(fù)載NMOS反相器反相器2.單元特點(diǎn)單元特點(diǎn)ViVoVDDMLMIVoVi R減小(KI/ KL )(1)VOH比電源電壓比電源電壓VDD低一個(gè)閾值電低一個(gè)閾值電壓壓Vt（有襯底偏（有襯底偏置效應(yīng)）；置效應(yīng)）；(3) ML和和MI的寬長(zhǎng)比分別影響的寬長(zhǎng)比分別影響tr和和tf。(4)上升過(guò)程由于負(fù)載管逐漸接近截上升過(guò)程由于負(fù)載管逐漸接近截止，止，tr較大。較大。(2)VOL與與 R有關(guān)，有關(guān)，為有比電路；為有比電路；0VotSUTSUT77.3 E/E非飽和負(fù)載非飽和負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作

5、原理ViVoVDDMLMIVGG VOH = VDD KL2(VGG-VOH -VTL)(VDD -VOH) - (VDD -VOH) 2 = 0VGG VDD +VTL Vi為為VOL時(shí)，時(shí)，MI截止，截止，ML非飽和非飽和SUTSUT87.3 E/E非飽和負(fù)載非飽和負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理(續(xù)續(xù))ViVoVDDMLMIVGGKI 2(VOH -VTI)VOL-VOL2 KL2(VGG -VOL -VTL)(VDD -VOL) - (VDD -VOL) 2 = VOL VDD 22m R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)L

6、m =VDD2(VGG VTL) VDD0 m 1Vi為為VOH時(shí)，時(shí)，MI非飽和，非飽和，ML非飽和非飽和SUTSUT97.3 E/E非飽和負(fù)載非飽和負(fù)載NMOS反相器反相器 2.單元特點(diǎn)單元特點(diǎn)ViVoVDDMLMIVGGVoVi(KI/KL) R增大(1)雙電源雙電源(2) VOH =VDD (3)VOL與與 R有關(guān)，有關(guān)，為有比電路；為有比電路；(4) VGG越高，越高，tr越越小，但是小，但是VOL越大、越大、功耗越大。功耗越大。SUTSUT107.4自舉負(fù)載自舉負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和自舉原理結(jié)構(gòu)和自舉原理初始狀態(tài)：初始狀態(tài)： VI=VOH，Vo=VOL MB、ML飽和

7、、飽和、MI非飽和非飽和VOL (VDD VTB VTL )22 R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)L有比電路有比電路ViVoVDDMBMIMLCBVGLVGL=VDD VTBSUTSUT117.4自舉負(fù)載自舉負(fù)載NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和自舉原理結(jié)構(gòu)和自舉原理(續(xù)續(xù))自舉過(guò)程：自舉過(guò)程： Vi 變?yōu)樽優(yōu)閂OL ,MI截止截止,Vo上升，上升， VGL隨隨Vo上升上升(電容自舉電容自舉)， MB截止截止,ML逐漸由飽和進(jìn)入逐漸由飽和進(jìn)入 非飽和導(dǎo)通，上升速度加快。非飽和導(dǎo)通，上升速度加快。自舉結(jié)果：自舉結(jié)果： tr縮短，縮短，VOH可達(dá)到可達(dá)到VDD

8、。ViVoVDDMBMIMLCBVGLSUTSUT127.4自舉負(fù)載自舉負(fù)載NMOS反相器反相器2. 寄生電容與自舉率寄生電容與自舉率 VGL CO = VGSL CB VGL = VGSL + Vo VGL = Vo=1+Co/CB1自舉率定義：自舉率定義：CO由于寄生電容由于寄生電容CO的存在：的存在：應(yīng)盡可能較小寄生電容應(yīng)盡可能較小寄生電容Co，使使 達(dá)到達(dá)到80%以上。以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGLSUTSUT137.4自舉負(fù)載自舉負(fù)載NMOS反相器反相器3. 漏電與上拉漏電與上拉 自舉電路中的漏電，會(huì)自舉電路中的漏電，會(huì)使自舉電位使自舉電位VGL下降下降(尤其尤其是低頻是

9、低頻)，最低可降到：，最低可降到：VGL=VDD VTB ， 因而因而ML變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，輸出變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，輸出VOH降低：降低：VOH=VDD VTB VTL為了提高輸出高電平，加為了提高輸出高電平，加入上拉元件入上拉元件MA (或或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMASUTSUT147.5 E/D NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMDMEVOH = VDD KD2(0 -VTD)(VDD -VOH)- (VDD -VOH) 2 = 0Vi為為VOL時(shí)，時(shí)，ME截止，截止，MD非飽和非飽和MD 為耗盡型器件，為耗盡型器件， VTD 0，SUTSU

10、T157.5 E/D NMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理（續(xù)）結(jié)構(gòu)和工作原理（續(xù)）ViVoVDDMDMEKE2(VOH -VTE)VOL-VOL2 KD(0 -VTD)2 = VOL VTD 22 R(VOH VTE)其中：其中： R =KEKD=(W/L)E(W/L)L有比電路（近似于無(wú)比電路）有比電路（近似于無(wú)比電路）Vi為為VOH時(shí)，時(shí)，ME非飽和，非飽和，MD飽和飽和SUTSUT167.5 E/D NMOS反相器反相器2.單元特點(diǎn)單元特點(diǎn)(1)VOH比可達(dá)到電源電壓比可達(dá)到電源電壓VDD(2)VOL與與 R有關(guān)，但是有關(guān)，但是VTD是是關(guān)鍵的因素，近似于無(wú)比電路，關(guān)鍵的因素，近似

11、于無(wú)比電路，面積小。面積小。(3)上升過(guò)程由于負(fù)載管由飽和上升過(guò)程由于負(fù)載管由飽和逐漸進(jìn)入非飽和，逐漸進(jìn)入非飽和， tr縮短，速縮短，速度快。度快。ViVoVDDMDMESUTSUT177.6 CMOS反相器反相器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMPMNVi為為VOL時(shí)，時(shí)，MN截止，截止，MP非飽和非飽和-Kp 2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) (VOH-VDD ) 2 = 0VOH = VDD Vi為為VOH時(shí)，時(shí)，MN非飽和，非飽和，MP截止截止Kn2(VOH-VTN)VOL-VOL2 =0VOL=0 無(wú)比電路無(wú)比電路MP 為為PMOS,VTP 0S

12、UTSUT187.6 CMOS反相器反相器2.電壓傳輸特性及器件工作狀態(tài)表電壓傳輸特性及器件工作狀態(tài)表ViVoVDDMPMN截止截止非飽和非飽和VDD+VTPVi VDD飽和飽和非飽和非飽和VO+VTNVi VDD+VTP飽和飽和飽和飽和VO+VTP Vi VO+VTN非飽和非飽和飽和飽和VTN ViVO+VTP非飽和非飽和截止截止0 ViVTNP管管N管管輸入電壓范圍輸入電壓范圍0VOViVDDVDDVDD+VTPVTNSUTSUT197.6 CMOS反相器反相器3.噪聲容限噪聲容限 0VOViVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVO

13、LmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax(1)指定噪聲容限指定噪聲容限VNMmax=minVNMHmax, VNMLmax SUTSUT207.6 CMOS反相器反相器3.噪聲容限（續(xù)）噪聲容限（續(xù)） (2) 最大噪聲容限最大噪聲容限VNMH=VOH-V* =VDD-V* VNML=V*-VOL=V*Vi =VDD+ VTP +VTN o1 + o當(dāng)當(dāng)V*為為Vdd/2時(shí)，噪聲容限為最大（時(shí)，噪聲容限為最大（Vdd/2）其中：其中： o =KNKP= N(W/L)N P(W/L)PV*將隨著將隨著 o的變化而向相反方向變化的變化而向相反方向變化NMOS和和PMOS都飽和時(shí)有

14、都飽和時(shí)有:記作記作V*V*VDD0VOViVDD o增大增大SUTSUT217.6 CMOS反相器反相器4.瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性 VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD CL為負(fù)載電容，帶負(fù)為負(fù)載電容，帶負(fù)載門(mén)數(shù)越多，載門(mén)數(shù)越多， 連線越長(zhǎng)，連線越長(zhǎng)，CL越大，延遲越大。越大，延遲越大。SUTSUT227.6 CMOS反相器反相器4.瞬態(tài)特性（續(xù)瞬態(tài)特性（續(xù)1） (1)上升時(shí)間上升時(shí)間ViVoVDDMPMNCL0VotVDD90%10%tr2 VDD KP(VDD |VTP|)CL|VTP| 0.1VDDVDD |VTP| +1ln (19VDD 20 |VTP| )=KP越大越

15、大 tr越小越小tr = tr1 + tr2 SUTSUT237.6 CMOS反相器反相器4.瞬態(tài)特性（續(xù)瞬態(tài)特性（續(xù)2） (2)下降時(shí)間下降時(shí)間ViVoVDDMPMNCL2 VDD KN(VDD VTN)CLVTN 0.1VDDVDD VTN +1ln (19VDD 20 VTN)=KN越大越大 tf越小越小0VotVDD90%10%tftf = tf1 + tf2 SUTSUT247.6 CMOS反相器反相器4.瞬態(tài)特性（續(xù)瞬態(tài)特性（續(xù)3） (3)平均平均對(duì)延遲時(shí)間對(duì)延遲時(shí)間 tpd =(tpHL + tpLH )/20VitVDD50%0Vot50%tpHLVDDtpLHViVoVDDM

16、PMNSUTSUT257.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性功耗特性ViVoVDDMPMN(1) 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗PS 理想情況下靜態(tài)電流為理想情況下靜態(tài)電流為0，實(shí)際存在漏電流（表面漏電，實(shí)際存在漏電流（表面漏電，PN結(jié)漏電），有漏電功耗：結(jié)漏電），有漏電功耗： PS = Ios VDD CMOS電路功耗由三部分電路功耗由三部分組成：靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗和組成：靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗和節(jié)點(diǎn)電容充放電功耗。節(jié)點(diǎn)電容充放電功耗。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小PN結(jié)面積結(jié)面積 SUTSUT26反相器直流傳輸特性SUTSUT277.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性（續(xù)功耗特性（續(xù)1） (2)瞬態(tài)

17、功耗瞬態(tài)功耗Pt ViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt Pt 2 1(tr+tf) ITmax VDD c 由于節(jié)點(diǎn)都存在寄生電由于節(jié)點(diǎn)都存在寄生電容，因而狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)輸入波容，因而狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)輸入波形有一定的斜率，使形有一定的斜率，使NMOS和和PMOS都處于導(dǎo)通態(tài)，存都處于導(dǎo)通態(tài)，存在瞬態(tài)電流，產(chǎn)生功耗：在瞬態(tài)電流，產(chǎn)生功耗： 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小tr和和tfSUTSUT287.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性（續(xù)功耗特性（續(xù)2） (3)電容充放電功耗電容充放電功耗Pc 在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，結(jié)點(diǎn)電位的上升和下降，結(jié)點(diǎn)電位的上升和下降，都伴隨著結(jié)點(diǎn)電容的

18、充放都伴隨著結(jié)點(diǎn)電容的充放電過(guò)程，產(chǎn)生功耗：電過(guò)程，產(chǎn)生功耗： 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小節(jié)節(jié)點(diǎn)寄生電容點(diǎn)寄生電容Pc = CL VDD 2ViVoVDDMPMNCLSUTSUT297.6 CMOS反相器反相器7.最佳設(shè)計(jì)最佳設(shè)計(jì) ViVoVDDMPMN(1)最小面積最小面積方案方案 芯片面積芯片面積 A= (Wn Ln+ Wp Lp) 按工藝設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)最小尺寸按工藝設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)最小尺寸 Lp = Ln Wp = Wn 面積小、功耗小、非對(duì)稱(chēng)延遲面積小、功耗小、非對(duì)稱(chēng)延遲(2) 對(duì)稱(chēng)延遲對(duì)稱(chēng)延遲方案方案 上升時(shí)間與下降時(shí)間相同上升時(shí)間與下降時(shí)間相同tr = tf 應(yīng)有：應(yīng)有：Kp = Kn，一般?。?，一般?。篖p=Ln則有：則有：Wp/ Wn = n / p 2SUTSUT307.6 CMOS反相器反相器7.最佳設(shè)計(jì)最佳設(shè)計(jì) ViVoVDDMPMN(3)對(duì)延遲最小方案（對(duì)延遲最小方案（Tpd最?。┳钚。?一般?。阂话闳。篖p = Ln Wp/Wn =12 CL=CE+(Wp Lp + Wn Ln) Cg0TpdWp/Wn0 0.4 0.8 1.21.6 2.02.4寄生寄生電容電容CE增大增大Lp = LnSUTSUT317.6 CMOS反相器反相器7.最佳設(shè)計(jì)最佳