第七章_MOS反相器

1、1第七章第七章 MOS反相器反相器 MOS反相器特性的分析是反相器特性的分析是MOS基基本逻辑门电路分析的重要基础本逻辑门电路分析的重要基础 。SUTSUT2基本知识提示：基本知识提示：0 K (VGS-VT)2 K 2(VGS-VT) VDS-VDS2 K=K (WL)K= Cox2Cox= ox otox VT VBS2q si oNBCox =IDS=NMOS:截止截止饱和饱和非饱和非饱和NMOS PMOS 增强型增强型 耗尽型耗尽型 四端器件四端器件衬底偏置效应：衬底偏置效应：沟道长度调制效应沟道长度调制效应(短沟效应短沟效应): =L1 Xd VDSSUTSUT37.1 电阻负载电阻

2、负载NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作原理VOH=VDD(VDDVOH)/RL=0Vi为低电平为低电平VOL时，时，MI截止截止Vi为高电平为高电平VOH时，时，MI非饱和非饱和(VDDVOL ) /RL =KI 2(VOH -VTI)VOL-VOL2 ViVoRLVDDMI VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)其中其中:KI=WL( )ox o2toxSUTSUT47.1 电阻负载电阻负载NMOS反相器反相器2. 基本特性基本特性RL若小：若小：VOL高，高，功耗大，功耗大， tr小小;W/L若小若小(即即KI小小)：VOL高，功高，功耗小耗小,，tf大。大。V

3、iVoRLVDDMNRL减小VILVIHVOHVOLVoVi0 VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)0VitVDD0VotVDDSUTSUT57.2 E/E饱和负载饱和负载NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作原理ViVoVDDMLMIVOH=VDD VTL KL(VDD-VOH-VTL)2=0Vi为低电平为低电平VOL时时,MI截止截止,ML饱和饱和Vi为高电平为高电平VOH时时,MI非饱和非饱和,ML饱和饱和KL(VDD-VOL-VTL)2=KI2(VOH-VTI)VO-VO2其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)LVOL (VDD VTL )22

4、R(VOH VTI)有比电路有比电路SUTSUT67.2 E/E饱和负载饱和负载NMOS反相器反相器2.单元特点单元特点ViVoVDDMLMIVoVi R减小(KI/ KL )(1)VOH比电源电压比电源电压VDD低一个阈值电低一个阈值电压压Vt（有衬底偏（有衬底偏置效应）；置效应）；(3) ML和和MI的宽长比分别影响的宽长比分别影响tr和和tf。(4)上升过程由于负载管逐渐接近截上升过程由于负载管逐渐接近截止，止，tr较大。较大。(2)VOL与与 R有关，有关，为有比电路；为有比电路；0VotSUTSUT77.3 E/E非饱和负载非饱和负载NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作

5、原理ViVoVDDMLMIVGG VOH = VDD KL2(VGG-VOH -VTL)(VDD -VOH) - (VDD -VOH) 2 = 0VGG VDD +VTL Vi为为VOL时，时，MI截止，截止，ML非饱和非饱和SUTSUT87.3 E/E非饱和负载非饱和负载NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作原理(续续)ViVoVDDMLMIVGGKI 2(VOH -VTI)VOL-VOL2 KL2(VGG -VOL -VTL)(VDD -VOL) - (VDD -VOL) 2 = VOL VDD 22m R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)L

6、m =VDD2(VGG VTL) VDD0 m 1Vi为为VOH时，时，MI非饱和，非饱和，ML非饱和非饱和SUTSUT97.3 E/E非饱和负载非饱和负载NMOS反相器反相器 2.单元特点单元特点ViVoVDDMLMIVGGVoVi(KI/KL) R增大(1)双电源双电源(2) VOH =VDD (3)VOL与与 R有关，有关，为有比电路；为有比电路；(4) VGG越高，越高，tr越越小，但是小，但是VOL越大、越大、功耗越大。功耗越大。SUTSUT107.4自举负载自举负载NMOS反相器反相器1. 结构和自举原理结构和自举原理初始状态：初始状态： VI=VOH，Vo=VOL MB、ML饱和

7、、饱和、MI非饱和非饱和VOL (VDD VTB VTL )22 R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)L有比电路有比电路ViVoVDDMBMIMLCBVGLVGL=VDD VTBSUTSUT117.4自举负载自举负载NMOS反相器反相器1. 结构和自举原理结构和自举原理(续续)自举过程：自举过程： Vi 变为变为VOL ,MI截止截止,Vo上升，上升， VGL随随Vo上升上升(电容自举电容自举)， MB截止截止,ML逐渐由饱和进入逐渐由饱和进入 非饱和导通，上升速度加快。非饱和导通，上升速度加快。自举结果：自举结果： tr缩短，缩短，VOH可达到可达到VDD

8、。ViVoVDDMBMIMLCBVGLSUTSUT127.4自举负载自举负载NMOS反相器反相器2. 寄生电容与自举率寄生电容与自举率 VGL CO = VGSL CB VGL = VGSL + Vo VGL = Vo=1+Co/CB1自举率定义：自举率定义：CO由于寄生电容由于寄生电容CO的存在：的存在：应尽可能较小寄生电容应尽可能较小寄生电容Co，使使 达到达到80%以上。以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGLSUTSUT137.4自举负载自举负载NMOS反相器反相器3. 漏电与上拉漏电与上拉 自举电路中的漏电，会自举电路中的漏电，会使自举电位使自举电位VGL下降下降(尤其尤其是低频是

9、低频)，最低可降到：，最低可降到：VGL=VDD VTB ， 因而因而ML变为饱和导通，输出变为饱和导通，输出VOH降低：降低：VOH=VDD VTB VTL为了提高输出高电平，加为了提高输出高电平，加入上拉元件入上拉元件MA (或或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMASUTSUT147.5 E/D NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作原理ViVoVDDMDMEVOH = VDD KD2(0 -VTD)(VDD -VOH)- (VDD -VOH) 2 = 0Vi为为VOL时，时，ME截止，截止，MD非饱和非饱和MD 为耗尽型器件，为耗尽型器件， VTD 0，SUTSU

10、T157.5 E/D NMOS反相器反相器1. 结构和工作原理（续）结构和工作原理（续）ViVoVDDMDMEKE2(VOH -VTE)VOL-VOL2 KD(0 -VTD)2 = VOL VTD 22 R(VOH VTE)其中：其中： R =KEKD=(W/L)E(W/L)L有比电路（近似于无比电路）有比电路（近似于无比电路）Vi为为VOH时，时，ME非饱和，非饱和，MD饱和饱和SUTSUT167.5 E/D NMOS反相器反相器2.单元特点单元特点(1)VOH比可达到电源电压比可达到电源电压VDD(2)VOL与与 R有关，但是有关，但是VTD是是关键的因素，近似于无比电路，关键的因素，近似

11、于无比电路，面积小。面积小。(3)上升过程由于负载管由饱和上升过程由于负载管由饱和逐渐进入非饱和，逐渐进入非饱和， tr缩短，速缩短，速度快。度快。ViVoVDDMDMESUTSUT177.6 CMOS反相器反相器1. 结构和工作原理结构和工作原理ViVoVDDMPMNVi为为VOL时，时，MN截止，截止，MP非饱和非饱和-Kp 2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) (VOH-VDD ) 2 = 0VOH = VDD Vi为为VOH时，时，MN非饱和，非饱和，MP截止截止Kn2(VOH-VTN)VOL-VOL2 =0VOL=0 无比电路无比电路MP 为为PMOS,VTP 0S

12、UTSUT187.6 CMOS反相器反相器2.电压传输特性及器件工作状态表电压传输特性及器件工作状态表ViVoVDDMPMN截止截止非饱和非饱和VDD+VTPVi VDD饱和饱和非饱和非饱和VO+VTNVi VDD+VTP饱和饱和饱和饱和VO+VTP Vi VO+VTN非饱和非饱和饱和饱和VTN ViVO+VTP非饱和非饱和截止截止0 ViVTNP管管N管管输入电压范围输入电压范围0VOViVDDVDDVDD+VTPVTNSUTSUT197.6 CMOS反相器反相器3.噪声容限噪声容限 0VOViVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVO

13、LmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax(1)指定噪声容限指定噪声容限VNMmax=minVNMHmax, VNMLmax SUTSUT207.6 CMOS反相器反相器3.噪声容限（续）噪声容限（续） (2) 最大噪声容限最大噪声容限VNMH=VOH-V* =VDD-V* VNML=V*-VOL=V*Vi =VDD+ VTP +VTN o1 + o当当V*为为Vdd/2时，噪声容限为最大（时，噪声容限为最大（Vdd/2）其中：其中： o =KNKP= N(W/L)N P(W/L)PV*将随着将随着 o的变化而向相反方向变化的变化而向相反方向变化NMOS和和PMOS都饱和时有

14、都饱和时有:记作记作V*V*VDD0VOViVDD o增大增大SUTSUT217.6 CMOS反相器反相器4.瞬态特性瞬态特性 VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD CL为负载电容，带负为负载电容，带负载门数越多，载门数越多， 连线越长，连线越长，CL越大，延迟越大。越大，延迟越大。SUTSUT227.6 CMOS反相器反相器4.瞬态特性（续瞬态特性（续1） (1)上升时间上升时间ViVoVDDMPMNCL0VotVDD90%10%tr2 VDD KP(VDD |VTP|)CL|VTP| 0.1VDDVDD |VTP| +1ln (19VDD 20 |VTP| )=KP越大越

15、大 tr越小越小tr = tr1 + tr2 SUTSUT237.6 CMOS反相器反相器4.瞬态特性（续瞬态特性（续2） (2)下降时间下降时间ViVoVDDMPMNCL2 VDD KN(VDD VTN)CLVTN 0.1VDDVDD VTN +1ln (19VDD 20 VTN)=KN越大越大 tf越小越小0VotVDD90%10%tftf = tf1 + tf2 SUTSUT247.6 CMOS反相器反相器4.瞬态特性（续瞬态特性（续3） (3)平均平均对延迟时间对延迟时间 tpd =(tpHL + tpLH )/20VitVDD50%0Vot50%tpHLVDDtpLHViVoVDDM

16、PMNSUTSUT257.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性功耗特性ViVoVDDMPMN(1) 静态功耗静态功耗PS 理想情况下静态电流为理想情况下静态电流为0，实际存在漏电流（表面漏电，实际存在漏电流（表面漏电，PN结漏电），有漏电功耗：结漏电），有漏电功耗： PS = Ios VDD CMOS电路功耗由三部分电路功耗由三部分组成：静态功耗、瞬态功耗和组成：静态功耗、瞬态功耗和节点电容充放电功耗。节点电容充放电功耗。 设计时应尽量减小设计时应尽量减小PN结面积结面积 SUTSUT26反相器直流传输特性SUTSUT277.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性（续功耗特性（续1） (2)瞬态

17、功耗瞬态功耗Pt ViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt Pt 2 1(tr+tf) ITmax VDD c 由于节点都存在寄生电由于节点都存在寄生电容，因而状态转换时输入波容，因而状态转换时输入波形有一定的斜率，使形有一定的斜率，使NMOS和和PMOS都处于导通态，存都处于导通态，存在瞬态电流，产生功耗：在瞬态电流，产生功耗： 设计时应尽量减小设计时应尽量减小tr和和tfSUTSUT287.6 CMOS反相器反相器5.功耗特性（续功耗特性（续2） (3)电容充放电功耗电容充放电功耗Pc 在状态转换过程中，在状态转换过程中，结点电位的上升和下降，结点电位的上升和下降，都伴随着结点电容的

18、充放都伴随着结点电容的充放电过程，产生功耗：电过程，产生功耗： 设计时应尽量减小设计时应尽量减小节节点寄生电容点寄生电容Pc = CL VDD 2ViVoVDDMPMNCLSUTSUT297.6 CMOS反相器反相器7.最佳设计最佳设计 ViVoVDDMPMN(1)最小面积最小面积方案方案 芯片面积芯片面积 A= (Wn Ln+ Wp Lp) 按工艺设计规则设计最小尺寸按工艺设计规则设计最小尺寸 Lp = Ln Wp = Wn 面积小、功耗小、非对称延迟面积小、功耗小、非对称延迟(2) 对称延迟对称延迟方案方案 上升时间与下降时间相同上升时间与下降时间相同tr = tf 应有：应有：Kp = Kn，一般取：，一般取：Lp=Ln则有：则有：Wp/ Wn = n / p 2SUTSUT307.6 CMOS反相器反相器7.最佳设计最佳设计 ViVoVDDMPMN(3)对延迟最小方案（对延迟最小方案（Tpd最小）最小） 一般取：一般取：Lp = Ln Wp/Wn =12 CL=CE+(Wp Lp + Wn Ln) Cg0TpdWp/Wn0 0.4 0.8 1.21.6 2.02.4寄生寄生电容电容CE增大增大Lp = LnSUTSUT317.6 CMOS反相器反相器7.最佳设计最佳