CMOS反相器的分析與設(shè)計(jì).ppt

1、第3章 CMOS反相器的分析與設(shè)計(jì),第3章 CMOS反相器的分析與設(shè)計(jì),3.1 CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性 3.2 CMOS反相器的直流特性 3.3 CMOS反相器的瞬態(tài)特性 3.4 CMOS反相器的設(shè)計(jì),2,3.1 CMOS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)？,3,4,CMOS Inverter,特點(diǎn)： 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,反相器的邏輯符號(hào),3.1 CMO

2、S反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性,若輸入為“1”(Vin= VDD)： VGSN = VDD ， VGSP = 0V NMOS導(dǎo)通，PMOS截止 輸出“0” (Vout = 0V),5,3.1 CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和基本特性,若輸入為“0”(Vin = 0V)： VGSN = 0V， VGSP=VDD NMOS截止，PMOS導(dǎo)通 輸出“1” (Vout = VDD),6,3.1 CMOS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),7,3.2 CMOS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、.3 直流噪聲容限,8,3.2.1 CMOS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(shí)導(dǎo)通： 并始終有如下關(guān)系：,9,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,Vin=VTN的垂直線：NMOS截止/導(dǎo)通 Vin=VDD+VTP的垂直線：PMOS導(dǎo)通/截止 VinVTN=Vout的斜線：NMOS飽和區(qū)/線性區(qū) VinVTP=Vout的斜線：PMOS線性區(qū)/飽和區(qū),10,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(1) 0VinVTN，NMOS截止， PMOS線性 Vin在一定范圍變化(0VTN)，Vout始終保持VDD。

4、,11,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(2) VTNVinVout+VTP ，NMOS飽和， PMOS線性 Vout隨Vin的增加而非線性地下降, Kr=KN/KP為比例因子。,12,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(3) Vout+VTPVinVout+VTN，NMOS飽和， PMOS飽和,13,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(3) Vout+VTPVinVout+VTN，NMOS飽和， PMOS飽和 Vit：邏輯閾值電平(轉(zhuǎn)換電平)， VTC垂直下降 如果VTN = -VTP，KN=KP， 則Vit=VDD/2， Vout/Vin趨向于無窮大。

5、,14,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(4) Vout+VTNVinVDD+VTP，NMOS線性， PMOS飽和 Vout隨Vin的增加而非線性地下降。,15,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,(5) VDDVinVDD+VTP，NMOS線性， PMOS截止 Vin在一定范圍變化(VDD+VTP VDD)，Vout始終保持0。,16,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,Vin=VTN的垂直線：NMOS截止/導(dǎo)通 Vin=VDD+VTP的垂直線：PMOS導(dǎo)通/截止 VinVTN=Vout的斜線：NMOS飽和區(qū)/線性區(qū) VinVTP=Vout的斜線：PMOS線

6、性區(qū)/飽和區(qū),17,18,3區(qū)的高度為兩個(gè)閾值之和,Voltage Transfer Characteristic(VTC),Vout +VTP=Vin,Vout+VTN =Vin,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,理想VTC曲線： (1)為輸出高電平區(qū)，(2)、(3)、(4)為轉(zhuǎn)變區(qū)，(5)為輸出低電平區(qū)。其中(3)表現(xiàn)為垂線段。 實(shí)際VTC曲線： (3)不再是垂線段；偏移。,19,3.2.1 CMOS反相器的直流電壓傳輸特性,VTC的偏移：,20,3.2.2 CMOS反相器的直流轉(zhuǎn)移特性,直流轉(zhuǎn)移特性：直流導(dǎo)通電流Ion隨Vin的變化而發(fā)生的變化 VTC的輸出高/低電平區(qū)： I

7、on = 0 VTC的轉(zhuǎn)變區(qū)： Ion 0 Vin=Vit時(shí)， Ion達(dá)到最大值：,21,3.2.3 CMOS反相器的直流噪聲容限,直流噪聲容限：允許的輸入電平變化范圍 由單位增益點(diǎn)確定噪聲容限： 在VTC的(2)區(qū)和(4)區(qū)，分別可以找到增益為1的位置； 分別作為輸入低電平的最大值VILmax和輸入高電平的最小值VIHmin；,22,3.2.3 CMOS反相器的直流噪聲容限,如果Kr=1, VTN=VTP=VT,采用對(duì)稱設(shè)計(jì)的CMOS反相器有相同的輸入高電平和輸入低電平的噪聲容限。,23,3.2.3 CMOS反相器的直流噪聲容限,由邏輯閾值確定噪聲容限： 若Vit=VDD/2， VNHM =

8、VNLMVDD/2。 實(shí)際情況，VNHMVNLM，最大直流噪聲容限由 minVNHM,VNLM 決定。,24,25,例 題,一個(gè)CMOS反相器，Kr=1，設(shè)VDD = 5V，VTN = 0.8V，VTP = -1V，Cox = 4.610-8 F/cm2，n = 500 cm2/Vs、p = 200 cm2/Vs。由邏輯閾值點(diǎn)確定的最大噪聲容限為多少？,26,反相器的直流噪聲容限,數(shù)字電路中信號(hào)在VDD和Gnd之間轉(zhuǎn)換，各種干擾信號(hào)，可能使得電路中某些結(jié)點(diǎn)的信號(hào)電平偏離理想電平（VDD，Gnd），產(chǎn)生所謂的噪聲 噪聲會(huì)對(duì)電路的可靠性造成影響,i,(,t,),Inductive coupling

9、,Capacitive coupling,Power and ground,noise,v,(,t,),V,DD,27,數(shù)字電路具有可恢復(fù)邏輯特性,可恢復(fù)邏輯特性,不可恢復(fù)邏輯特性,3.3 CMOS反相器的瞬態(tài)特性,3.3.1 負(fù)載電容 3.3.2 輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間 3.3.3 傳輸延遲時(shí)間的計(jì)算 3.3.4 電路的最高工作頻率,28,3.3.1 CMOS反相器的負(fù)載電容,三部分： MOS管的漏-襯底pn結(jié)電容CDBN和CDBP ； 下級(jí)電路的輸入電容Cin； 互連線引起的寄生電容Cl。,29,3.3.1 CMOS反相器的負(fù)載電容,pn結(jié)電容用平均電容代替： 如果連線較短，連線寄生

10、電容Cl可以忽略。,30,31,0.25 mm CMOS Capacitances,W/L=0.36um/0.25um的NMOS（LD,S0.625um） 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，計(jì)算出柵和漏端的電容 如果考慮反偏電壓和適當(dāng)?shù)陌鎴D優(yōu)化，二者基本相等，漏端電容甚至更小些,3.3.1 CMOS反相器的負(fù)載電容,Cin由下級(jí)電路全部NMOS和PMOS的柵電容構(gòu)成。,柵電容決定于柵面積(WL)和單位面積柵氧化層電容Cox。,32,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓的上升/下降時(shí)間,定義： 輸出上升時(shí)間(tr)： V10%V90% 輸出下降時(shí)間(tf)： V90%V10%,33,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓

11、的上升/下降時(shí)間,(1) 階躍輸入的上升時(shí)間 PMOS的導(dǎo)通電流是對(duì)負(fù)載電容充電的電流： VoutVTP時(shí)，PMOS飽和： Vout從V10%上升到VTP的時(shí)間：,34,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓的上升/下降時(shí)間,(1) 階躍輸入的上升時(shí)間 VoutVTP時(shí)，PMOS線性： Vout從VTP上升到V90%的時(shí)間： 總上升時(shí)間：,35,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓的上升/下降時(shí)間,(2) 階躍輸入的下降時(shí)間 NMOS的導(dǎo)通電流是對(duì)負(fù)載電容放電的電流： VoutVDDVTN時(shí)，NMOS飽和： VoutVDDVTN時(shí)，NMOS線性：,36,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓的上升/下降

12、時(shí)間,(2) 階躍輸入的下降時(shí)間 總的下降時(shí)間： 若參數(shù)對(duì)稱，則兩時(shí)間相等。 兩時(shí)間主要由負(fù)載電容和導(dǎo)電因子決定。,37,3.3.2 CMOS反相器輸出電壓的上升/下降時(shí)間,(3) 非階躍輸入情況 負(fù)載電容的充電或放電電流是NMOS和PMOS電流之差： 計(jì)算復(fù)雜，很難給出解析解。 上升/下降時(shí)間不僅與反相器的參數(shù)有關(guān)，還與輸入信號(hào)的波形有關(guān)。,38,3.3.3 CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的計(jì)算,tPHL，tPLH，,39,3.3.3 CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的計(jì)算,近似認(rèn)為tPLH內(nèi)只有PMOS導(dǎo)通，tPHL內(nèi)只有NMOS導(dǎo)通： 用最大導(dǎo)通電流的一半作為平均電流： 對(duì)稱設(shè)計(jì)時(shí)：,40,41,

13、提高反相器的速度,增加器件的寬長(zhǎng)比會(huì)同時(shí)增加導(dǎo)電因子和器件的柵電容和漏區(qū)電容 對(duì)于固定的大負(fù)載電容可以通過增加器件尺寸提高速度 對(duì)于小負(fù)載，反相器速度不會(huì)隨著尺寸出現(xiàn)明顯增加,42,瞬態(tài)響應(yīng)：仿真波形,tpLH,tpHL,3.3.4 電路的最高工作頻率,必須維持輸入信號(hào)的時(shí)間大于電路的延遲時(shí)間。 若輸入信號(hào)的占空比為1：1，則其周期需要滿足： 對(duì)稱設(shè)計(jì)有利于提高電路的工作頻率。,43,3.3.4 電路的最高工作頻率,使用環(huán)形振蕩器測(cè)量電路的工作頻率及延遲時(shí)間： 普遍規(guī)律： 其中n是反相器的級(jí)數(shù)， 應(yīng)為奇數(shù)。,44,45,3.4 CMOS反相器的設(shè)計(jì),完成能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求的集成電路產(chǎn)品 設(shè)計(jì)要求

14、： 功能 可靠性 速度 面積 功耗,46,噪聲容限：邏輯閾值點(diǎn) 把Vit做為允許的輸入高電平和 低電平極限 VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit VNLM與VNHM中較小的 決定最大直流噪聲容限,1、反相器的可靠性,47,可靠性：噪聲容限,面向可靠性最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，噪聲容限最大就是使得VitVDD/2 在反相器的設(shè)計(jì)中通過器件尺寸的設(shè)計(jì)保持電路滿足噪聲容限的要求 利用噪聲容限的設(shè)計(jì)要求可以得到Wp和Wn的一個(gè)方程,48,2、反相器的速度,一般用反相器的平均延遲時(shí)間表示速度 也可以分別用上升和下降延遲時(shí)間表示 利用速度的設(shè)計(jì)要求可以得到Wp和Wn的一個(gè)方程,49,3、反相器的面積,減小器件

15、的寬度可以減小面積 例如最小面積的要求可以采用最小尺寸的器件尺寸 利用面積的設(shè)計(jì)要求可以得到Wp和Wn的一個(gè)方程,50,4、反相器的功耗,增加器件寬長(zhǎng)比會(huì)增加電容 電路速度增加也會(huì)提高功耗 電源電壓的增加 功耗暫時(shí)不作為反相器設(shè)計(jì)的約束,51,反相器設(shè)計(jì)：綜合,利用可靠性、速度和面積約束中的兩個(gè)就可以得到一組Wp和Wn 對(duì)稱反相器：對(duì)于NMOS和PMOS閾值基本相等的工藝，設(shè)計(jì)Kr1 對(duì)稱反相器具有最大的噪聲容限和相等的上升和下降延遲，在沒有具體設(shè)計(jì)要求情況下是相對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì),例子,設(shè)計(jì)一個(gè)CMOS反相器，使 ( 1 ) 最大噪聲容限不小于0.44VDD， ( 2 ) 且驅(qū)動(dòng)1pF負(fù)載電容時(shí)上升、下降時(shí)間不大于10ns， 設(shè)VDD= 5V，VTN= 0.8V，VTP= -0.9V， K N=PCox=12010-6A/V2， K P=nCox=6010-6A/V2 問題:在給定工藝水平下, 如何選擇MOS管的尺寸來滿足2個(gè)要求,先考慮瞬態(tài)特性要求,根據(jù),得到：,同理：,取L=0.6m, 則Wn=6.9m, Wp=14.28m 考察直流特性,反相器的最大噪音容限均滿足要求。,思考題,如果根據(jù)瞬態(tài)特性設(shè)計(jì)，使Vit=2.1V, 應(yīng)如何調(diào)整器件尺寸滿足噪聲容限要求？ 如果根據(jù)瞬態(tài)特性設(shè)計(jì)，使Vit=2.9V， 應(yīng)如何調(diào)整器件尺寸滿足噪聲容限要求？,此時(shí)，VNHM小于2.