數(shù)字集成電路

反相器MOSPMOS最找進入市場,工藝簡單,成本低NMOS優(yōu)于PMOS,速度高,μ反向器是數(shù)字集成電路電路最基本的單元反相器、倒相器、非門是一回事MOS倒相器可分為電阻負載型增強型MOS管負載型耗盡型MOS管負載型負載管為PMOS管時的是稱為CMOS倒相器反相器MOS耗盡型：柵源電壓為零，導(dǎo)電溝道存在，只要加一定的漏源電壓，就產(chǎn)生漏極電流增強型：柵源電壓加到一定程度，才形成溝道，后加漏源電壓，就產(chǎn)生漏極電流。反相器特征輸入為高電平；輸出為低電平。輸入為低電平；輸出為高電平。兩方面：直流傳輸特性；瞬態(tài)特性MOS管直流傳輸特性MOS管直流傳輸特性隨著輸入電壓增加,NMOS管先進飽和,后進入線性區(qū)MOS管直流傳輸特性當Vin<VT時,驅(qū)動管截止,漏源之間有微量電流通過,電源電壓大部分降到驅(qū)動管上了,輸出電壓Vout=VDS,接近于VDD,記作VOH當Vin>VT時,驅(qū)動管導(dǎo)通,并進入飽和MOS管直流傳輸特性Vin繼續(xù)增大,當Vin-VT>VDS時,線性工作區(qū)MOS管直流傳輸特性非線性圖解,可得如圖所示的傳輸特性曲線通常把MOS管直流傳輸特性瞬態(tài)特性tf輸出電壓從擺幅的90%降到10%的時間Tr輸出電壓從擺幅的10%升到90%的時間Tpf輸入階躍處t1

時刻到輸出電壓降至50%Tpr輸入階躍處t2時刻到輸出電壓升至50%瞬態(tài)特性(下降時間)倒相器下降時間分兩部分一部分是Cout從VOH---VOL(nS);另一部分溝道電子渡越時間(pS)只考慮放電時間,負載管的漏電流遠小于ID瞬態(tài)特性(下降時間)瞬態(tài)特性(下降時間)瞬態(tài)特性(下降時間)瞬態(tài)特性(下降時間)瞬態(tài)特性(上升時間)上升時間,是對電容充電過程從10%----90%瞬態(tài)特性(下降延遲時間)瞬態(tài)特性(下降延遲時間)瞬態(tài)特性(下降延遲時間)瞬態(tài)特性(上升延遲時間)功率延時乘積要提高倒相器的工作速度,減少延遲時間,在一定輸出等效電容的情況下,要增大輸出電容放電和充電電流,增大充電電流意味著增大負載管的功耗增大放電電流意味著增大驅(qū)動管的功耗提高速度和降低功耗是一對矛盾用tpPav來作為電路性能的參數(shù)功率延時乘積

電阻負載型MOS倒相器

電阻負載型MOS倒相器當VOUT下降到Vin-VT值時,驅(qū)動管進入非飽和狀態(tài),它的電流方程為:電阻負載型MOS倒相器

V0HV0LVIHVILV0H:如忽略漏電流的情況,V0H=VDD當輸出電壓為V0L時,器件處在非飽和狀態(tài)電阻負載型MOS倒相器

V0HV0LVIHVIL電阻負載型MOS倒相器

V0HV0LVIHVIL電阻負載型MOS倒相器分析輸出高電平VOH=VDD輸出低電平VOL與RLβ有關(guān)RLβ越大,VOL越低過渡斜率也與RLβ有關(guān),RLβ越大,無論飽和還是非線性,斜率dVout/dVin越大,即過渡區(qū)越窄.為了得到較低的VOL,窄的過渡區(qū),在W/L一定的情況下,選擇較大的電阻,占用較大的芯片面積,因此倒向器常采用晶體管作負載.電阻負載型MOS倒相器的瞬態(tài)特性電阻負載型MOS倒相器的瞬態(tài)特性電阻負載型MOS倒向器的瞬態(tài)特性電阻負載型功率延時乘積電阻負載型功率延時乘積電阻負載型功率延時乘積電阻負載型總的功率延時乘積電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計電阻負載倒相器設(shè)計增強型MOS負載倒相器電阻型負載占用面積大;限制了使用,用NMOS晶體管代替線性電阻。負載管與驅(qū)動管采用同樣的制作工藝,工藝參數(shù)β相同。驅(qū)動管:VDSD、VGSD、VTD、（W/L）D。負載管:VDSL、VGSL、VTL、（W/L）L。適當選擇偏置，負載管可以工作在飽和與非飽和狀態(tài)，分別稱為飽和與非飽和增強型NMOS倒向器增強型MOS負載倒相器驅(qū)動管與負載管在同一襯底上驅(qū)動管的源極與襯底電位相同，負載管的源極與襯底的電壓VSBL=VOUT，從而引起負載管的偏置效應(yīng)。使負載管閾值電壓是VOUT的函數(shù)分別討論兩種情況：負載管飽和與非飽和飽和增強型MOS負載倒相器飽和增強型MOS負載倒相器飽和增強型MOS負載倒相器飽和增強型MOS負載倒相器飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒向器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定V0HV0LVIHVIL飽和增強型MOS負載倒相器

確定Vth飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性飽和增強型MOS負載倒相器

瞬態(tài)特性非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒向器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器非飽和增強型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載，驅(qū)動管仍用增強型器件，耗盡型器件具有恒流作用，速度快，噪聲容限大，占用芯片面積小和設(shè)計簡單等優(yōu)點柵極與源極相連，即VGSL=0，由于耗盡型器件閾值電壓VTL<0，故負載管處于導(dǎo)通狀態(tài)VDSL>-VTL，管子處于飽和狀態(tài)VDSL<-VTL，管子處于非飽和狀態(tài)耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器耗盡型MOS負載倒相器CMOS倒相器微功耗,只在電路轉(zhuǎn)換時才有損耗功率,靜態(tài)時只有漏電流小功率截止非飽和飽和NMOSVin<VTnVin-VTn>VDSnVin-VTn<VDSnVGSn<VTnVDSn>0VGSn>VTnVGSn>VTnPMOSVGSp>VTpVGSp<VTpVGSp<VTpVin>VTp+VDDVin<VTp+VDDVin<VTp+VDDVDSP<0CMOS倒相器截止非飽和飽和NMOSVGSN<VTnVGSn>VTnVGSn>VTnVGDN>VTnVGDn<VTnPMOSVGSP>VTpVGSn<VTPVGSn<VTPVGDN<VTnPVGDn>VTPCMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性CMOS倒相器的開管特性反相器的輸出電容反相器的輸出電容自舉反相器在飽和的E/E反相器增加一個預(yù)充值管和自舉電容自舉電容兩端的電壓預(yù)值在VGSL=VDD–VTE–V0L

≈VDD–VTE在輸入由高電平變?yōu)榈碗娖綍r,輸出則由低變高,因為電容兩端的電壓不能突變,負載管柵電位將隨輸出電壓升高而升高,這就是自舉效應(yīng)當輸出電壓升高到2VTE

時,預(yù)充偏置處于截止狀態(tài),自舉電容上的電荷應(yīng)保持不變,負載管就處于固定柵源工作狀態(tài),此時VGSL

≈VDD+VTE

負載管也由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài),輸出高電平電壓為VDD自舉反相器消除了飽和的E/E反相器的閾值電壓,自舉電容大小對自舉有很大影響特性曲線未變襯調(diào)系數(shù)對自舉影響較大,低的襯調(diào)系數(shù),本身柵極電容較大,所以自舉電容可以選小一些.上升時間比高襯調(diào)系數(shù)的電路短的多自舉電容比柵極電容對上升時間影響比重較大自舉效率補充因漏電而損失的電荷負載管的柵電壓靠C0

、CB

上預(yù)充電荷來完成的由于結(jié)的漏電，電荷將逐漸泄放，從而使柵壓下降，導(dǎo)致輸出電壓下降，甚至負載管截止。為了減小輸出電壓的下降，輸出端增加上拉元件MARA，MA

的W/L比ML

小的多,RA阻值也高，僅為了補償漏電荷的損失。CMOS反相器功耗靜態(tài)功耗：反向漏電流造成的動態(tài)功耗：開關(guān)瞬態(tài)電流造成的功耗負載充放電造成的功耗輸入為0，NMOS截止，PMOS導(dǎo)通，輸出為1輸入為1，NMOS導(dǎo)通，PMOS截止，輸出為0從VDD

到VSS

無論哪種情況，總有一管子截止CMOS反相器功耗理想狀態(tài)下它的靜態(tài)功耗為零，如考慮漏電流，則靜態(tài)功耗為反向漏電流乘上電源電壓，非常小，約為1-2nWCMOS反相器功耗CMOS反相器功耗CMOS 設(shè)計的準則動態(tài)有比反相器門電路的正確操作與PMOS和NMOS管的相對尺寸無關(guān),即與溝導(dǎo)寬長的比值無關(guān),為無比反相器動態(tài)有比反相器就是靜態(tài)的E/E有比反相器的負載管改為時鐘控制動態(tài)有比反相器工作原理動態(tài)無比反相器驅(qū)動管和負載管總是交替導(dǎo)通的,二者對尺寸的比例沒有固定的要求推挽式動態(tài)反相器,其中Φ1

Φ2兩個互不重疊的時鐘動態(tài)無比反相器動態(tài)無比反相器存在問題

求值時鐘結(jié)束前,輸入電平必須穩(wěn)定,在求值階段輸入不能變預(yù)充作用期間,輸出信號不真實動態(tài)無比反相器動態(tài)無比反相器漏舉電路,提高輸出電平漏舉電路,提高輸出電平漏舉電路,提高輸出電平按比例縮小理論恒定電場(CE)恒定電壓(CV)準恒定電源電壓(QCV)恒定電場(CE)

特點:器件尺寸、電源電壓及襯底濃度這三個參數(shù)按一比例因子變化所有水平方向和垂直方向器件尺寸按比例縮小1/α，與此同時，為了保持器件中各處的電場強度不變，所有的工作電壓按比例變?yōu)樵瓉淼?/α，為了耗盡層寬度減小1/α，襯底濃度增大α倍恒定電場(CE)

恒定電場(