1、1第四章第四章 CMOS单元电路单元电路4.3 反相器的设计反相器的设计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3CMOS反相器反相器VDDVVinouttn反相器的设计变量包括反相器的设计变量包括NMOS和和PMOS的宽度和长度的宽度和长度n实际的设计变量就是实际的设计变量就是NMOS和和PMOS的宽度（的宽度（Wp和和Wn）VVinout反相器的逻辑符号反相器的逻辑符号4CMOS 反相器的设计n完成能够实现设计要求的集成电路产品完成能够实现设计要求的集成电路产品n设计
2、要求：设计要求：n功能功能n可靠性可靠性n速度速度n面积面积n功耗功耗5噪声容限：逻辑阈值点噪声容限：逻辑阈值点 把把Vit做为允许的输入高电平和做为允许的输入高电平和 低电平极限低电平极限 VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit VNLM与与VNHM中较小的中较小的 决定最大直流噪声容限决定最大直流噪声容限1、反相器的可靠性、反相器的可靠性TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK6可靠性：噪声容限n面向可靠性最优的设计目标，面向可靠性最优的设计目标，噪声容限最大就是使得噪声容限最大就是使得VitVdd/2n在反相器的设
3、计中通过器件尺在反相器的设计中通过器件尺寸的设计保持电路满足噪声容寸的设计保持电路满足噪声容限的要求限的要求n利用噪声容限的设计要求可以利用噪声容限的设计要求可以得到得到Wp和和Wn的一个方程的一个方程TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK72、反相器的速度、反相器的速度pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtIpr22rNP111211tKn一般用反相器的平均一般用反相器的平均延迟时间表示速度延迟时间表示速度n也可以分别用上升和也可以分别用上升和下降延迟时间表示
4、下降延迟时间表示n利用速度的设计要求利用速度的设计要求可以得到可以得到Wp和和Wn的一个方程的一个方程83、反相器的面积、反相器的面积n减小器件的宽度可以减小面积减小器件的宽度可以减小面积n例如最小面积的要求可以采用例如最小面积的要求可以采用最小尺寸的器件尺寸最小尺寸的器件尺寸n利用面积的设计要求可以得到利用面积的设计要求可以得到Wp和和Wn的一个方程的一个方程PolysiliconInOutVDDGNDPMOSMetal 1NMOSContactsN Well94、反相器的功耗、反相器的功耗n增加器件宽长比会增加电容增加器件宽长比会增加电容n电路速度增加也会提高功耗电路速度增加也会提高功耗n
5、电源电压的增加电源电压的增加n功耗暂时不作为反相器设计的约束功耗暂时不作为反相器设计的约束2DLDDPC fV10反相器设计：综合n利用可靠性、速度和面积约束利用可靠性、速度和面积约束中的两个就可以得到一组中的两个就可以得到一组Wp和和Wnn对称反相器：对于对称反相器：对于NMOS和和PMOS阈值基本相等的工艺，阈值基本相等的工艺，设计设计Kr1n对称反相器具有最大的噪声容对称反相器具有最大的噪声容限和相等的上升和下降延迟，限和相等的上升和下降延迟，在没有具体设计要求情况下是在没有具体设计要求情况下是相对优化相对优化的设计的设计pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,L
6、HP21111tttCVtICVtITNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VK VVVKVK VVKVVVVKK11例题例题n设计一个设计一个CMOS反相器，使最大噪声容限不反相器，使最大噪声容限不小于小于0.44 VDD，且驱动，且驱动1pF负载电容时上升、负载电容时上升、下降时间不大于下降时间不大于10nsn设某设某0.5微米工艺，微米工艺，VDD=5V，VTN=0.8V，VTP=-1V，Cox=4.610-8 F/cm2，n=500 cm2/Vs、p=200 cm2/Vs。确定NMOS和PMOS宽长比n上升时间上升时间n下降时间下降时间n最大噪声容限最
7、大噪声容限n瞬态中的电容，根据条件可以忽瞬态中的电容，根据条件可以忽略略MOS栅电容和栅电容和PN结电容，取结电容，取1pF12TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VK VVVKVK VVKVVVVKKDDPLPPPPVKCrrrt1.029.1)1(21)1(1.0ln213N=VTN/VDD=0.16,P=-VTP/VDD=0.2 则 tr=1.85r=10ns,r=5.4ns 得到：KP=3.710-5(A/V2)8PLW同理得到：tf=1.73f=10ns,f=5.78ns KN=3.4610-5(A/V2),3NLWDDPLPPPPVKCrrrt
8、1.029.1)1(21)1(1.0ln214KP=3.710-5(A/V2)8PLW KN=3.4610-5(A/V2)3NLW考察噪声容限：VNLM=Vit=2.43V=0.49 VDD,VNHM=VDD-Vit=2.57V=0.51 VDD TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VK VVVKVK VVKVVVVKK满足噪声容限 15CMOS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 反相器设计反相器设计nNMOS反相器反相器16CMOS和和NMOS反相器结构比较反相器结构比
9、较 2个可控开关 开关+常导通负载常导通负载171、饱和负载、饱和负载NMOS反相器反相器 负载特性负载特性G2D2DD2D22DDToutoutDDTD2 0 VVVIKVVVVVVI当，2个增强型个增强型NMOS组成组成 M1是可控开关是可控开关,驱动管驱动管 负载管负载管M2总是在饱和区总是在饱和区 不是全摆幅不是全摆幅182、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 M1是可控开关是可控开关,驱动管驱动管 不是全摆幅不是全摆幅19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=I
10、R=0,Vout=VOH=VDD 1.M1饱和饱和 3.ToutDDVVVVinM1线性线性2DDOLrDDT 2VVK VV2DDout1inTLVVK VVR1LDDr2TinDDrDDout ,KRVKVVVKVV22DDout1inTinToutLVVKVVVVVRDDOLDDonLLVVVIRR20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
11、.11t21CMOS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 电阻负载电阻负载 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 VVR22直流电压传输特性比较直流电压传输特性比较23CMOS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24CMOS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
