1、第四章第四章 CMOS单元电路单元电路反相器直流特性反相器直流特性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分析过程：数字CMOS电路n根据器件在电路中的连接关系，确定电流方向，根据器件在电路中的连接关系，确定电流方向，确定器件的源漏端确定器件的源漏端n根据器件的根据器件的Vgs，判断器件开关的通断，确定逻，判断器件开关的通断，确定逻辑功能辑功能n定量分析：根据源漏电压和定量分析：根据源漏电压和Vdsat判断导通器件判断导通器件的工作区，根据器件电流列出电路的支路电流方的工
2、作区，根据器件电流列出电路的支路电流方程，解方程求出节点电压和支路电流程，解方程求出节点电压和支路电流n特殊现象考虑亚阈电流、衬偏效应、二级效应特殊现象考虑亚阈电流、衬偏效应、二级效应34CMOS反相器反相器VDDVVinoutt VinVin作为作为PMOSPMOS和和NMOSNMOS的共栅极的共栅极 VoutVout作为共漏极作为共漏极 V VDDDD作为作为PMOSPMOS的源极和体端的源极和体端 G GNDND作为作为NMOSNMOS的源极的源极和体端和体端VVinout反相器的逻辑符号反相器的逻辑符号5反相器版图反相器版图Connect in MetalShare power and
3、 ground标准单元形式的门标准单元形式的门电路的版图设计电路的版图设计通过等高的设计共通过等高的设计共享电源和地线享电源和地线通过邻接的设计减通过邻接的设计减小面积小面积6CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性Vin=0，NMOS截止截止，PMOS导通导通，稳态稳态Vout=VDD,“1”；Vin=VDD，NMOS导通导通，PMOS截止截止,稳态稳态Vout=0；Vin=VDDVDDVout=0Vout=VDDVin=0VDD 反相器的工作特点：反相器的工作特点：Vout=Vin；稳态单管导通，没有直通电流稳态单管导通，没有直通电流CMOS反相器的结构和基本特性n若输入为若输入为“1”(
4、Vin=VDD)：VGSN=VDD，VGSP=0VNMOS导通，导通，PMOS截止截止输出输出“0”(Vout=0V)outinVV7CMOS反相器的结构和基本特性n若输入为若输入为“0”(Vin=0V)：VGSN=0V，VGSP=VDDNMOS截止，截止，PMOS导通导通输出输出“1”(Vout=VDD)outinVV8CMOS反相器直流电压传输特性n输出电平与输入电平之间输出电平与输入电平之间的关系的关系：电压传输特性电压传输特性(VTC)nNMOS与与PMOS可以同时可以同时导通导通：n并始终有如下关系：并始终有如下关系：DNDPII,GSNinDSNoutGSPinDDDSPoutDD
5、VVVVVVVVVV910反相器中反相器中MOSFET的工作区域的工作区域VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS Saturation缩写对照：缩写对照：N-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin11反相器反相器VTC：区域区域1VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS
6、LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS SaturationN-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin区域区域1：限制条件：限制条件因此因此NMOS截止截止因此因此PMOS线性线性区域区域112反相器反相器VTC：区域区域6VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS Satur
7、ationN-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin区域区域6：限制条件：限制条件因此因此NMOS截止截止PMOS饱和饱和，但是实际电路中，但是实际电路中NMOS截止，导通的截止，导通的PMOS的的Vds必然为必然为0，不可能工作在饱和区，与实际电路矛盾，不可能工作在饱和区，与实际电路矛盾，VTC曲线不会经过该区域曲线不会经过该区域区域区域613反相器反相器VTC：区域区域2VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMO
8、S LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS SaturationN-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin区域区域2：限制条件：限制条件因此：因此：NMOS饱和饱和因此：因此：PMOS线性线性区域区域214反相器反相器VTC：区域区域3VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS
9、 SaturationN-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin区域区域3：限制条件：限制条件NMOS饱和饱和PMOS饱和饱和区域区域315反相器反相器VTC：区域：区域VDDVVinoutN-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS SaturationN-SP-OVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-
10、LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin 红色斜线影响红色斜线影响PMOS：其上线性，其下饱和其上线性，其下饱和/截止截止 蓝色斜线影响蓝色斜线影响NMOS：其下线性，其上饱和其下线性，其上饱和/截止截止 两条竖线影响两条竖线影响截止截止 器件有沟道没有电流器件有沟道没有电流是线性区，因此是线性区，因此6区区和和7区没有实际意义区没有实际意义16分析直流特性的出发点：分析直流特性的出发点：直流条件下没有输出电流直流条件下没有输出电流满足满足：IDN=IDPVinVout0VVTNDDVVDD+TPN-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-
11、ON-OP-SN-SP-OVDDVVinout171、反相器的、反相器的VTC1、特点：特点：N-O&P-L2、特点：特点：N-S&P-L inTN 0VV220 ,DPPinTPDDinTPoutDNoutDDOHDDIKVVVVVVIVVVVTNinoutTPVVVV2221222PinTPDDinTPoutNinTNoutinTPinTPDDrinTNNrPKVVVVVVKVVVVVVVVKVVKKK比例因子比例因子VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=Vin18反相器反相器VTC3、特点：特点：N-S&P-S outTPinoutTNVVVVV22NinTNPi
12、nTPDDKVVKVVVTNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK反相器的逻辑阈值电平（逻辑阈值点）反相器的逻辑阈值电平（逻辑阈值点）Vout+VTP=VinVout+VTN=Vin19反相器反相器VTC4、特点：特点：N-L&P-S5、特点：特点：N-L&P-O outTNinDDTPVVVVV222NinTNinTNoutPinTPDDKVVVVVKVVV1222outinTNinTNinTPDDr1VVVVVVVVKDDinDDTPVVVV22NinTNinTNout0DPKVVVVVIout 0VOL 0VCMOS反相
13、器实现全摆幅反相器实现全摆幅Vout+VTP=VinVout+VTN=Vin203区的高度为两个阈值电压绝对值之和区的高度为两个阈值电压绝对值之和电压传输特性曲线电压传输特性曲线(VTC)VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=Vin21器件参数对器件参数对VTC的影响的影响 反相器反相器比例因子比例因子Kr=Kn/Kp对对直流特性影响直流特性影响 在在VTN=-VTP前前提下考虑，以便提下考虑，以便简化问题简化问题TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKKVDDVVinout22Kr变化，短线在红色斜线
14、和蓝色斜线形成的轨道内左右移动，变化，短线在红色斜线和蓝色斜线形成的轨道内左右移动，边界是蓝色和红色竖线（边界是蓝色和红色竖线（Kr趋近无穷和为趋近无穷和为0）比例因子比例因子Kr对对VTC影响影响VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=VinTNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK23器件参数对器件参数对VTC的影响的影响 NMOS、PMOS阈值阈值电压的影响电压的影响 在在Kr=1前提前提下考虑，以下考虑，以便简化问题便简化问题TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=11
15、1VKVVVKVKVVK VVVVKKVDDVVinout24阈值电压影响阈值电压影响1区、区、5区宽度以及区宽度以及3区高度，区高度，设设Kr=1，则，则Vit=（VTN+VTP+VDD）/2阈值电压和电源电压影响阈值电压和电源电压影响VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=VinTNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK一般工艺上一般工艺上NMOS和和PMOS阈值绝对值接近阈值绝对值接近相等，所以相等，所以Vit的典型值是的典型值是Vdd/225实际实际CMOS反相器的反相器的VTC对应对应Vit的输
16、入的输入,输出不是一条垂直线输出不是一条垂直线VDDVVinout沟长调制沟长调制效应等影效应等影响响26直流转移特性直流转移特性分段讨论分段讨论Inverter的导通电流的导通电流 1.Vin=VTNIon=IDN=IDP=0，2.VTNVinVout-|VTP|Ion=IDN=IDP UP NMOS输入特性输入特性 3.Vin=VitIon=Ipeak at Vin=Vit 4.Vout+VTNVinVDD-|VTP|Ion=IDN=IDP DOWN 5.VDD-|VTP|VinVDDIon=IDN=IDP=0，VDDVVinout272、反相器的直流噪声容限、反相器的直流噪声容限n数字电
17、路大信号在数字电路大信号在Vdd和和Gnd间转换，间转换，各种干扰信号，可能使得电路中某些结各种干扰信号，可能使得电路中某些结点电平偏离理想电平（点电平偏离理想电平（Vdd，Gnd），），产生所谓的产生所谓的噪声噪声i(t)Inductive coupling Capacitive couplingPower and ground noisev(t)VDD28反相器噪声容限反相器噪声容限(Noise Margins)噪声容限定义噪声容限定义1：极限输出：极限输出 给定给定VOHmin和和VOLmax VOHmin Voff(关门电平关门电平)VOLmax Von(开门电平开门电平)VNL=Vo
18、ff,VNH=VDD-Von电路的直流噪声容限电路的直流噪声容限允许的输入电平变化范围，允许的输入电平变化范围，反映了电路的抗干扰能力反映了电路的抗干扰能力29反相器的直流噪声容限反相器的直流噪声容限c1DDTc2DDT31845184VVVVVV噪声容限定义噪声容限定义2：单位增益点：单位增益点 在在2、4区存在区存在|dVout/dVin|=1的的 单位单位增益点增益点 在在2、4区求得增益点对应区求得增益点对应的的Vin (分别为分别为Vc1和和Vc2)，VNL=Vc1 VNH=VDD-Vc22221222PinTPDDinTPoutNinTNoutinTPinTPDDrinTNNrPK
19、VVVVVVKVVVVVVVVKVVKKK30噪声容限定义噪声容限定义3：逻辑阈值点：逻辑阈值点 把把Vit做为允许的输入高电做为允许的输入高电平和平和 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反相器的直流噪声容限反相器的直流噪声容限TNrDDTPinrTNrDDTPrTNDDTPit rr1111=111VKVVVKVKVVK VVVVKK31数字电路具有可恢复逻辑特性数字电路具有可恢复逻辑特性可恢复逻辑特性可恢复逻辑特性不可恢复逻辑特性不可恢复逻辑特性本节总结nCMOS反相器结构特点反相器结构特点n反相器的反相器的VTCn反相器逻辑阈值点反相器逻辑阈值点Vitn反相器的噪声容限反相器的噪声容限32
