CMOS反相器的與設(shè)計

第3章CMOS反相器的分析與設(shè)計第3章CMOS反相器的分析與設(shè)計3.1CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性3.2CMOS反相器的直流特性3.3CMOS反相器的瞬態(tài)特性3.4CMOS反相器的設(shè)計23.1CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性NMOS管的襯底接地，PMOS管的襯底接VDD。輸入端——柵極輸出端——？極如何判斷分析器中NMOS和PMOS器件的源漏區(qū)？是否有襯偏效應(yīng)？34CMOSInverter特點：Vin作為PMOS和NMOS的共柵極；Vout作為共漏極；VDD作為PMOS的源極和體端；GND作為NMOS的源極和體端VVinout反相器的邏輯符號3.1CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性若輸入為“1”(Vin=VDD)：VGSN=VDD，

VGSP=0VNMOS導(dǎo)通，PMOS截止輸出“0”(Vout=0V)53.1CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性若輸入為“0”(Vin=0V)：VGSN=0V，

VGSP=－VDDNMOS截止，PMOS導(dǎo)通輸出“1”(Vout=VDD)63.1CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性無比電路數(shù)字電路中作為開關(guān)使用(導(dǎo)通電阻、截止電阻)NMOS——下拉開關(guān)，PMOS——上拉開關(guān)73.2CMOS反相器的直流特性3.2.1直流電壓傳輸特性3.2.2直流轉(zhuǎn)移特性3.2.3直流噪聲容限83.2.1CMOS反相器的直流電壓傳輸特性輸出電平與輸入電平之間的關(guān)系：直流電壓傳輸特性(VTC)NMOS與PMOS可以同時導(dǎo)通：并始終有如下關(guān)系：93.嚷2.箱1往CM決OS反相來器的券直流噸電壓油傳輸浩特性Vin=VTN的垂爆直線：NM魯OS截止/導(dǎo)通Vin=VDD+VTP的垂耐直線：PM哲OS導(dǎo)通/截止Vin－VTN=Vou派t的斜端線：NM壓OS飽和縫區(qū)/線性傳區(qū)Vin－VTP=Vou商t的斜甘線：PM紐奉OS線性穿區(qū)/飽和夏區(qū)103.串2.致1算CM吐OS反相皇器的太直流史電壓慎傳輸括特性(1比)紫0≤Vin≤VTN，NM廣OS截止，PM促OS線性Vin在一與定范鞭圍變萌化(0～VTN)，Vou散t始終房誠保持VDD。113.您2.喚1饅CM寒OS反相傲器的賽直流在電壓檢傳輸疑特性(2疊)VTN<Vin<Vou活t+VTP，NM啄OS飽和殊，PM矩OS線性Vou辟t隨Vin的增創(chuàng)加而質(zhì)非線勢性地雹下降,Kr=KN/KP為比泄例因尖子。123.河2.信1柄CM杜OS反相未器的席直流獨電壓尚傳輸身特性(3湯)Vou椅t+VTP≤Vin≤Vou痛t+VTN，NM鹿OS飽和宏，PM斷OS飽和133.伶2.頓1字CM殊OS反相只器的灶直流鑄電壓記傳輸富特性(3襲)Vou雙t+VTP≤Vin≤Vou敢t+VTN，NM鞭OS飽和刃，PM青OS飽和Vit：邏輯樣閾值搶電平(轉(zhuǎn)換惡電平)，VT南C垂直芽下降如果VTN=晉-VTP，KN=KP，則Vit=VDD/2，Vou冶t/Vin趨向塌于無彼窮大。143.番2.膏1歇CM滲OS反相閥器的醬直流農(nóng)電壓踏傳輸鋸特性(4落)Vou越t+VTN<Vin<VDD+VTP，NM脂OS線性，PM虹OS飽和Vou始t隨Vin的增裝加而雜非線化性地野下降。153.圈2.抽1浩CM吳OS反相蛙器的丘直流季電壓屈傳輸華特性(5蛙)VDD≥Vin≥VDD+VTP，NM駝OS線性，PM青OS截止Vin在一寫定范眉圍變岡化(VDD+VTP～VDD)，Vou鳳t始終筒保持0。163.澤2.洞1欣CM朝OS反相冠器的興直流妹電壓府傳輸耕特性Vin=VTN的垂紹直線：NM盤OS截止/導(dǎo)通Vin=VDD+VTP的垂閉直線：PM臨OS導(dǎo)通/截止Vin－VTN=Vou液t的斜滲線：NM眾OS飽和抹區(qū)/線性模區(qū)Vin－VTP=Vou鄙t的斜貓線：PM蓬OS線性獻(xiàn)區(qū)/飽和騎區(qū)17183區(qū)的密高度立為兩練個閾釘值之榆和Vo宅lt支ag胖e抹Tr匙an李sf稈erCh鵝ar暑ac陽te栽ri刻st腰ic糾(V跑TC)VDDVVinoutVou塘t+VTP=VinVou峽t+VTN=Vin3.誘2.宴1愿CM察OS反相花器的鋼直流彈電壓治傳輸?shù)吞匦岳硐隫T諸C曲線：(1記)為輸面出高芬電平云區(qū)，(2俯)、(3使)、(4科)為轉(zhuǎn)委變區(qū)妄，(5愛)為輸鼻出低濫電平桃區(qū)。其中(3這)表現(xiàn)井為垂駱線段。實際VT仍C曲線：(3前)不再草是垂淺線段抓；偏臘移。193.夫2.將1迫CM此OS反相擋器的堅直流拿電壓體傳輸劈燕特性VT才C的偏畜移：203.血2.污2州CM伙OS反相趙器的載直流堆轉(zhuǎn)移改特性直流槳轉(zhuǎn)移丑特性：直流婦導(dǎo)通笨電流Ion隨Vin的變均化而速發(fā)生的變化VT翁C的輸五出高/低電平簡區(qū)：Ion=譯0VT浮C的轉(zhuǎn)變軟區(qū)：Ion≠望0Vin=Vit時，Ion達(dá)到題最大任值：213.未2.答3仙CM靜OS反相州器的潮直流姻噪聲勒容限直流萬噪聲齒容限：允許腫的輸及入電供平變量化范就圍由單規(guī)位增宵益點妻確定換噪聲癥容限：在VT幕C的(2鴨)區(qū)和(4抬)區(qū)，分別裁可以獅找到香增益理為1的位供置；分別宏作為輸入繭低電愉平的桌最大島值VIL創(chuàng)ma穩(wěn)x和輸長入高查電平擁的最鹿小值VIH午mi謀n；223.較2.氧3面CM白OS反相烈器的棍直流西噪聲凍容限如果Kr=1象,VTN=－VTP=VT采用箱對稱緩設(shè)計哀的CM豎OS反相騎器有價相同犧的輸通入高輸電平譜和輸取入低殺電平副的噪女聲容擊限。233.怪2.窮3堪CM風(fēng)OS反相品器的晝直流瞧噪聲耕容限由邏追輯閾貓值確定噪聲觸容限：若Vit=VDD/2，VNH宗M=VNL須M＝VDD/2。實際襯情況，VNH宣MVNL爪M，最大丸直流彼噪聲咐容限綁由mi踏n{VNH幼M,VNL草M}決定。2425例駱題一個CM扯OS反相型器，Kr=1，設(shè)VDD=按5V，VTN=甜0.熊8V，VTP=感-1勺V，Cox=愚4.瓶6×春10-8F/魯cm2，μn=育50爭0溝cm2/V壞s、μp=克20消0步cm2/V躁s。由雞邏輯愛閾值畝點確隊定的壯最大常噪聲眨容限還為多紹少？26反相翼器的扣直流分噪聲仗容限數(shù)字獵電路拋中信宰號在VDD和Gn虜d之間標(biāo)轉(zhuǎn)換失，各旦種干原擾信員號，叔可能之使得胞電路仇中某悲些結(jié)清點的葵信號應(yīng)電平棕偏離涼理想趁電平積（VDD，Gn驅(qū)d），但產(chǎn)生啦所謂轎的噪管聲噪聲腦會對拼電路近的可灘靠性今造成道影響i(t)In叨du誕ct軌iv尸e瞎co張up涂li養(yǎng)ngCa均pa侍ci核ti懼ve趣c酒ou逃pl慕in哈gPo仇we神r愈an陽d省gr派ou逮ndno層is沒ev(t)VDD27數(shù)字而電路疑具有涼可恢窄復(fù)邏朵輯特職性可恢敏復(fù)邏仍輯特預(yù)性不可朽恢復(fù)凳邏輯站特性3.設(shè)3惡CM懷OS反相畢器的垂瞬態(tài)飄特性3.薪3.磨1負(fù)載姓電容3.黑3.幼2輸出椅電壓垮的上悅升時晝間和零下降榨時間3.搶3.結(jié)3傳輸狡延遲舉時間躬的計革算3.渡3.攜4電路嗓的最貌高工模作頻過率283.驕3.漸1僚CM恒OS反相鉆器的添負(fù)載做電容三部僚分：MO森S管的滅漏-襯底pn結(jié)電監(jiān)容CDB柴N和CDB析P；下級脾電路辟的輸揉入電貪容Cin；互連深線引哈起的懶寄生鴉電容Cl。293.腫3.墨1靈CM抓OS反相糠器的穴負(fù)載剩電容pn結(jié)電閃容用攏平均推電容偵代替然：如果搖連線端較短射，連線掠寄生辱電容Cl可以家忽略。30310.衫25mm揉CM槍OS繪C牌ap筋ac詢it爹an且ce輩sW/L=0侮.3揉6u劈燕m/駕0.更25例um的NM坐OS（LD,遇S＝0.進(jìn)62模5u素m）根據(jù)滿設(shè)計群規(guī)則茫，計織算出偶柵和紙漏端叛的電翁容如果賢考慮扶反偏合電壓慶和適露當(dāng)?shù)牟堪鎴D芳優(yōu)化劉，二糞者基年本相改等，牽漏端奪電容習(xí)甚至交更小繳些3.決3.多1忽CM孩OS反相詳器的鹽負(fù)載你電容Cin由下傳級電尊路全隔部NM割OS和PM位OS的柵矛電容篇構(gòu)成。柵電調(diào)容決尼定于逝柵面撿積(W×L)和單膏位面銅積柵茄氧化青層電煌容Cox。323.略3.刊2猴CM艱OS反相充器輸谷出電六壓的幫上升/下降粉時間定義岸：輸出湊上升產(chǎn)時間(tr)：V10炒%～V90孟%輸出銜下降腿時間(tf)：V90且%～V10遷%333.栗3.輔2團(tuán)CM匹OS反相斑器輸殺出電巴壓的忠上升/下降菜時間(1影)階躍盲輸入爽的上普升時堪間PM維OS的導(dǎo)腫通電溫流是臭對負(fù)航載電法容充哨電的爽電流：Vou痰t≤－VTP時，PM柴OS飽和：Vou企t從V10眼%上升河到－VTP的時訊間：343.伴3.購2際CM肚OS反相輔器輸驅(qū)出電閉壓的劃上升/下降毯時間(1億)階躍完輸入外的上究升時雷間Vou不t>－VTP時，PM岸OS線性侍：Vou嫌t從－VTP上升栗到V90舌%的時征間：總上蓬升時誓間：353.禽3.下2揭CM避OS反相檔器輸省出電衣壓的銳上升/下降融時間(2鉛)階躍物輸入喂的下狹降時畏間NM昨OS的導(dǎo)零通電略流是串對負(fù)量載電天容放電的角電流：Vou詳t≥VDD－VTN時，NM畏OS飽和：Vou瓣t<VDD－VTN時，NM起OS線性瓶：363.松3.瘡2篩CM嚴(yán)OS反相戒器輸塵出電攔壓的在上升/下降師時間(2鐘)階躍臘輸入敲的下團(tuán)降時錦間總的疊下降臺時間作：若參貌數(shù)對例稱，監(jiān)則兩蜘時間攏相等何。兩時間結(jié)主要魂由負(fù)嬸載電魯容和寸導(dǎo)電血因子碧決定歪。373.票3.撈2齡CM汪OS反相業(yè)器輸聲出電暑壓的閘上升/下降忍時間(3屬)非階敘躍輸燃入情義況負(fù)載待電容的充電俊或放命電電煉流是NM專OS和PM揪OS電流殼之差：計算燙復(fù)雜燃，很庭難給掉出解套析解碎。上升/下降滿時間像不僅湯與反餃相器若的參逐數(shù)有病關(guān)，填還與果輸入肉信號艙的波齊形有那關(guān)。383.杠3.個3尊CM漢OS反相燈器傳爪輸延侄遲時市間的睛計算tPH昏L，tPL黨H，393.慢3.蠻3肆CM螺OS反相條器傳穿輸延伸遲時蟲間的筍計算近似晴認(rèn)為tPL拌H內(nèi)只將有PM除OS導(dǎo)通倒，tPH朝L內(nèi)只港有NM河OS導(dǎo)通：用最橫大導(dǎo)肯通電差流的還一半視作為邪平均汪電流：對稱仰設(shè)計假時：4041提高獻(xiàn)反相穿器的喉速度增加捐器件雕的寬長氏比會同促時增只加導(dǎo)浙電因問子和男器件旋的柵夠電容踩和漏和區(qū)電黃容對于盟固定妥的大薯負(fù)載氣電容諒可以怕通過可增加騰器件朵尺寸傷提高濕速度對于妙小負(fù)受載，使反相重器速弦度不誕會隨優(yōu)著尺厚寸出確現(xiàn)明腥顯增咐加42瞬態(tài)恥響應(yīng)矛：仿征真波孫形tpL倘HtpH轎L3.秋3.淹4電路氣的最袍高工忍作頻聞率必須鈴維持胞輸入段信號筑的時刃間大眨于電尺路的羨延遲起時間。若輸入紙信號王的占異空比嗚為1：1，則其周期勺需要吸滿足倒：對稱評設(shè)計麗有利迎于提啄高電胸路的租工作參頻率揚。433.檢3.法4電路順的最衣高工甘作頻釘率使用侵環(huán)形國振蕩槐器測貨量電路頃的工作輝頻率及延遲賞時間：普遍暖規(guī)律淹：其中n是反壓相器時的級田數(shù)，應(yīng)為種奇數(shù)瘡。44453.胞4塌CM庭OS反相幼器的拉設(shè)計完成住能夠銹實現(xiàn)蠅設(shè)計六要求粱的集惰成電柱路產(chǎn)常品設(shè)計套要求格：功能可靠駛性速度面積功耗46噪聲材容限傻：邏陶輯閾間值點閥把Vit做為裝允許墳的輸輪入高仔電平枝和低電蘋平極坦限VNL惠M=VitVNH光M=VDD-VitVNL元M與VNH倦M中較上小的決定煩最大葬直流種噪聲抓容限1、反薪相器設(shè)的可憶靠性47可靠恭性：海噪聲討容限面向腳可靠它性最太優(yōu)的嫁設(shè)計醬目標(biāo)登，噪而聲容稈限最菠大就鐘是使嶺得Vit＝VDD/2在反括相器撓的設(shè)療計中閘通過扣器件談尺寸位的設(shè)鍬計保漠持電抱路滿辨足噪膚聲容蝴限的唱要求利用藍(lán)噪聲暑容限淡的設(shè)肉計要慶求可隨以得臥到Wp和Wn的一策個方盾程482、反齒相器愛的速奪度一般奴用反田相器梁的平暑均延炸遲時韻間表駱示速課度也可酷以分兩別用甚上升慘和下肯降延垂遲時劃間表架示利用隙速度獻(xiàn)的設(shè)間計要騾求可顧以得酒到Wp和Wn的一估個方汽程493、反稠相器杠的面黎積減小伯器件睬的寬剛度可芬以減廳小面欠積例如孔最小巖面積焰的要鉗求可能以采現(xiàn)用最訂小尺男寸的態(tài)器件稿尺寸利用胡面積屬的設(shè)保計要秘求可狀以得觀到Wp和Wn的一奧個方坊程PolysiliconInOutVDDGNDPMOSMetal1NMOSContactsNWell504、反鐘相器靜的功返耗增加蛙器件思寬長炭比會趁增加核電容電路嫂速度姜增加釣也會塊提高役功耗電源畏電壓給的增喪加功耗連暫時洲不作幫為反秀相器投設(shè)計宿的約爺束51反相容器設(shè)比計：繩綜合利用亞可靠求性、睛速度刑和面巾積約軟束中槐的兩俘個就脫可以州得到濤一組Wp和Wn對稱班反相恭器：未對于NM委OS和PM湖OS閾值撤基本甚相等托的工愚藝，選設(shè)計Kr＝1對稱嶼反相殿器具泳有最挽大的裳噪聲驅(qū)容限閑和相餡等的辱上升左和下忍降延球遲，該在沒腐有具碼體設(shè)紗計要泥求情番況下盒是相戴對優(yōu)孩化的衡設(shè)計例子設(shè)計魯一個CM抹OS反相糕器，勝使(跌1棕)最大竄噪聲胳容限均不小魯于0.減44乏VDD，(掛2收)且驅(qū)戶動1p惡F負(fù)載信電容財時上睛升、釣下降停時間脹不大適于10騎ns，設(shè)VDD=扮5V，VTN=削0.融8V，VTP=閑-0劈燕.9香V，KN'=μPCox=12掛0×畢10-6A/資V2，KP'=μnCo