集成電路設(shè)計(jì)part2課件

集成電路設(shè)計(jì)基本CMOS數(shù)字電路PART2幅度量化和直流電壓傳輸特性(a)電壓量化范圍(b)電壓幅度范圍(c)直流電壓傳輸特性曲線直流電壓傳輸特性曲線通常定義電壓傳輸曲線中斜率絕對(duì)值為1的輔入電壓分別為VILmax和VIHmin。分別稱為最大輸入低電平和最小輸入高電平。VOHmin和VOLmax分別稱為最小輸出高電平和最大輸出低電平。

在數(shù)字電路級(jí)聯(lián)工作時(shí)，為了保證正確的邏輯關(guān)系，它們應(yīng)滿足：VOHmin≥VIHmin

VOLmax≤VILmax

在倒相輸出的直流電壓傳輸特性圖中作直線Vout=Vin，

該直線與特性曲線相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓成為邏輯門閾值電壓VTH。噪聲容限定義激勵(lì)門的最大輸出低電平與被激勵(lì)門能夠識(shí)別的最大輸入低電平之差定義為低電平噪聲余度NML；激勵(lì)門的最小輸出高電平與被激勵(lì)門能夠識(shí)別的最小輸入高電平之差則定義為高電平噪聲余度NMH

一個(gè)電路的輸出必須能驅(qū)動(dòng)一個(gè)以上的同類電路，這稱為“扇出能力”。一個(gè)邏輯電路能夠接受的激勵(lì)源數(shù)則稱為該電路的“扇入數(shù)”。數(shù)字電路的瞬態(tài)特性數(shù)字電路的瞬態(tài)特性是研究數(shù)字電路輸入電壓隨時(shí)間變化時(shí)其輸出電壓的變化規(guī)律。通常令輸入電壓Vin(t)是一個(gè)幅度為VOH的理想方波；輸出電壓的高、低電平分別是VOH和VOL。實(shí)際上，由于晶體管內(nèi)部物理效應(yīng)和電路輸出端等效電容的作用，倒相輸出電壓波形如圖3-3(b)所示。圖中定義了描繪瞬態(tài)特性的四個(gè)時(shí)間參量，它們是tf、tr、tpf和tpr。下降時(shí)間tf是輸出電平從滿幅的90%降到l0%的時(shí)間，相對(duì)應(yīng)的電壓為V1和V0：

V0＝VOL-0.1(VOH-VOL)V1＝VOL+0.9(VOH-VOL)上升時(shí)間tr是輸出電壓從V0上升到V1的時(shí)間。為了簡(jiǎn)便，有時(shí)也可以用VOH和VOL代替V1和V0。下降延遲時(shí)間tpf是輸入階躍處t1到輸出電壓降至50%，即降至電壓

V1/2=(VOL+VOH)/2所需要的時(shí)間．上升延遲時(shí)間tpr則是從輸入階躍t2處到輸出電壓升至V1/2的時(shí)間。3.2CMOS倒相器理想倒相器符號(hào)及真值表

理想倒相器的直流傳輸特性由于器件的非理想特性，實(shí)際倒相器的直流傳輸特性和瞬態(tài)特性取決于驅(qū)動(dòng)管與負(fù)載器件的特性．瞬態(tài)特性還和電路中的輸出等效電容COUT有關(guān)。CMOS倒相器電路結(jié)構(gòu)圖CMOS倒相器直流傳輸特性分析在CMOS倒相器中，輸人電壓Vin同時(shí)接到兩個(gè)晶體管的柵極，輸出端接至兩個(gè)晶體管的漏極，因此已不存在所謂負(fù)載管和驅(qū)動(dòng)管的概念，而是以互補(bǔ)的方式工作。PMOS管和NMOS管在不同工作區(qū)域內(nèi)的電壓關(guān)系列在表3-1中。表中VTN表示NMOS管的閾值電壓，VTP是PMOS管的閾值電壓。注意，VTP<0．CMOS倒相器的直流傳輸特性圖3-11CMOS倒相器的工作狀態(tài)可以分為五個(gè)區(qū)域來討論，它們的電壓關(guān)系由表3-1決定。相應(yīng)于這五個(gè)工作區(qū)的傳輸特性如圖3-11中A、B、C、D、E所示。由CMOS倒相器電路結(jié)構(gòu)圖可知：Vin=VGSN

,Vout=VDSN

VGSP=Vin-VDD,VDSP=Vout-VDD

CMOS倒相器直流特性分析A區(qū)在Vin<VTN時(shí)，NMOS管截止，IDSN為零。這時(shí)VGSP<VTP，所以PMOS管導(dǎo)通,但I(xiàn)DSP=-IDSN=0，因此倒相器輸出電壓：

Vout=VOH=VDD

十分明顯：VGDP=Vin-VDD<VTP

所以：Vin<VTP+VDD

可見在此工作范圍內(nèi)，NMOS管截止，PMOS管處于線性電阻區(qū)。由：VGSN

-VTN=Vin-VTN<VDSN=Vout可推出：Vin<VDSN+VTN=Vout+VTN且：Vin-VDD-VTP<Vout-VDD<0即在以上的條件下，前面推出的方程將成立。C區(qū)當(dāng)Vin=VOUT

時(shí)，使得本區(qū)域內(nèi)NMOS管和PMOS管均處于飽和區(qū)工作狀態(tài)．由晶體管電流方程有：它對(duì)應(yīng)著陡峭下降的特性，對(duì)應(yīng)此時(shí)的輸入電壓是：

它對(duì)應(yīng)著陡峭下降的特性，對(duì)應(yīng)此時(shí)的輸入電壓是：通常將這個(gè)電壓值作為倒相器的閾值電壓。若取βN=βp，VTN=|VTP|.則上式變?yōu)椋?/p>

Vin=VTH=VDD/2E區(qū)

即當(dāng)Vin≥VDD-|VTP|時(shí)。這時(shí)PMOS管截止，IDSP=0，但NMOS管仍處于非飽和狀態(tài)。因此，輸出電壓：

Vout=VOL=0為了保證倒相輸出數(shù)字電路可靠地工作，應(yīng)滿足：式中，VIL稱為最大輸入低電平；VIH稱為最小輸入高電平．為了保持Vout處于可靠的邏輯“1”狀態(tài)時(shí)的輸入電壓不得超過VIL。同樣為了保證Vout處于可靠的邏輯“0”狀態(tài)時(shí)，輸入電壓不得小于VIH。

參數(shù)VIL和VIH的求取通常將VIL和VIH定義在倒相器直流傳輸特性曲線斜率等于-1處所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，如下圖所示

根據(jù)前面的分析，VIL和VIH應(yīng)出現(xiàn)在直流電壓傳輸特性曲線的B、D兩端。由B段輸出電壓公式：

設(shè)X=βN/βP，在式中將Vout對(duì)Vin求導(dǎo)．令導(dǎo)數(shù)值為-1．可得到：

VIL2[3-2X-X2]+VIL[(6+2X)(|VTP|-VDD+XVTN)]+[3VTP2+3VDD2+VTN2(-4X-X2)+