1、第四章 CMOS单元电路4.2 反相器瞬态特性2CMOS反相器反相器n4.1 CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性n4.2 CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性n4.3 CMOS反相器的设计反相器的设计3直流特性和瞬态特性直流特性和瞬态特性n直流特性有助于我们理解反相直流特性有助于我们理解反相器中器件的工作状态和电路的器中器件的工作状态和电路的噪声特性噪声特性n瞬态特性，即输入信号随着时瞬态特性，即输入信号随着时间变化过程中，输出信号的变间变化过程中，输出信号的变化情况化情况n瞬态特性决定着电路的速度瞬态特性决定着电路的速度VoutVin0.511.522.50.511.522.5N
2、M O S re sP M O S offN M O S sa tP M OS satN M O S offP M O S resN M O S s atP M O S resN M O S resPM O S satVOLVOH0.9VOH0.1OHVtftr41 1、上升时间和下降时间、上升时间和下降时间VOLVOH0.9VOH0.1OHVtftr(1)出现上升出现上升/下降的原因下降的原因:Vin跳变跳变(由由0到到1，或相反，或相反)，Vout不会立刻反相不会立刻反相(2)Vout不会立刻反相的原因？不会立刻反相的原因？(3)上升时间上升时间 rise-time/下降时下降时 间间 f
3、all-time(tr/tf)的定义的定义上升时间上升时间:输出从逻辑摆幅的输出从逻辑摆幅的10%10变化到变化到90%下降时间下降时间:输出从逻辑摆幅的输出从逻辑摆幅的90%90变化到变化到10%VDDVVinout5分析上升时间的等效电路分析上升时间的等效电路VDDCLt=0VinDPoutLIdtdVCVout=VDDVin=0VDD(1)物理思想：物理思想：通过通过PMOS对对Vout节点的节点的电容充电电容充电(2)IDP是随输出变化的是随输出变化的 Vout|VTP|,PMOS在线性区在线性区6推导上升时间推导上升时间TPout)1VVTPout)2VVPMOS饱和饱和2DDTPP
4、outL0ddVVKtVCDDPLr2Pr ,11ddVKCtu归一化归一化积分求解积分求解2P1Pr11utPMOS线性线性2P2Pr11ddutu积分求解积分求解2P2Pr2121ln12uut上升时间上升时间)9.0()1.0(2211rututtVDDCLt=0Vin7上升过程充电电流的变化上升过程充电电流的变化DDPLPPPPVKCrrrt1.029.1)1(21)1(1.0ln2Issue：公式适用范围公式适用范围P0.10.98分析下降时间的等效电路分析下降时间的等效电路CLt=0VinVoutDNoutLIdtdVCDDNLfNNNNffVKCt ,1.029.1ln12111
5、.02(1)与上升电路类似的分析：与上升电路类似的分析：通过通过NMOS对对Vout节点的节点的 电容放电电容放电(2)IDN的计算的计算 VoutVDD-VTN NMOS饱和；饱和；Vout1，有比电路有比电路输出低电平时有直流电流输出低电平时有直流电流阈值损失阈值损失24饱和负载反相器的上升时间饱和负载反相器的上升时间2outTDD2outLddVVVKtVCTDDoutOHoutVVVVVu上升过程上升过程归一化归一化rr21LLr2OH2DDT12rr11 110.1,0.9,8.9 tuuCCK VKVVuut25饱和负载反相器的下降时间饱和负载反相器的下降时间outLD1ddVCI
6、toutLD1D2ddVCIItoutOHTVuVV下降过程下降过程忽略忽略M2的电流的电流归一化归一化1,M1u 饱和1,M1u 线性TOH1Lff ,1ddVVKCtu2f2dduutu2ff12211ln2utuuOH1OHT0.9VuVVOH2OHT0.1VuVV262、电阻负载、电阻负载NMOS反相器反相器 负载特性负载特性一个多晶硅电阻做负载一个多晶硅电阻做负载27电阻负载反相器的电阻负载反相器的VTCinTN 0VVoutT0VVVin 2.M1截止截止ID1=IR=0,Vout=VOH=VDD 1.M1饱和饱和 3.ToutDDVVVVinM1线性线性2DDOLrDDT 2VV
7、K VV2DDout1inTLVVK VVR1LDDr2TinDDrDDout ,KRVKVVVKVV22DDout1inTinToutLVVKVVVVVRDDOLDDonLLVVVIRR28电阻负载反相器的瞬态特性电阻负载反相器的瞬态特性上升过程上升过程outDDoutLLdVVVCdtRrr12rln 1ln 12.2tuu12rLL0.1,0.9,uuR C下降过程下降过程,忽略负载电流与忽略负载电流与CMOS反相器相同反相器相同NNff2NN0.11.921ln2 10.11t29CMOS和和NMOS反相器直流特性反相器直流特性比较比较n 饱和负载饱和负载 耗尽型负载耗尽型负载 电阻负
8、载电阻负载 CMOSnVOH VDD-VT VDD VDD VDDnVOL n Kr K1/K2 KE/KD VDDRLK1 KN/KPn Kr=5 VOL=0.53 0.1 0.63 0n Ion 222OHTDDDrOHTrDDTrDDT 0222VVVKVVKVVKVV222DDTOLDTDDDL 0 KVVVK VVR30直流电压传输特性比较直流电压传输特性比较31CMOS和和NMOS反相器瞬态特反相器瞬态特性比较性比较n上升上升,下降时间比较下降时间比较 参数参数 饱和负载饱和负载 耗尽负载耗尽负载 电阻负载电阻负载CMOS tr 8.9r 0.9r 2.2r 1.8r tf 1.5f 1.8f 1.8f 1.8f tr/tf 4.5Kr 3.1 Kr 1.2 Kr 1注意：不同电路的注意：不同电路的r 和和f 是不同的是不同的TNTPTEDDTDDD0.2,0.4 VVVVVV 32CMOS电路的优点电路的优点n无比电路无比电路,具有最大的逻辑摆幅具有最大的逻辑摆幅n在低电平状态不存在直流导通电流在低电平状态不存在直流导通电流n静态功耗低静态功耗低n直流噪声容限大直流噪声容限大n采用对称设计获得最佳性能采用对称设计获得最佳性能
