VLSI电路与系统CHAP3P1

1、CHAPTURE THREE基本CMOS数字电路 PART ONE引 言 数字电路的工作特点是:电路输出的二进制信号与输入二进制信号有一定的逻辑关系，这个逻辑关系就称为电路的逻辑函数。数字信号是二值信号 在正常的电压工作范围内，数字信号电压的幅度是被量化了的：某一电压范围代表二进制状态中的一个状态，另一电压范围则代表了另一个状态。 这两个范围之间是不确定范围，不确定范围应尽可能小，这就使电路完全工作在非线性状态 。 幅度量化和直流电压传输特性(a)电压量化范围 (b)电压幅度范围 (c) 直流电压传输特性曲线直流电压传输特性曲线数字电路中二进制信号的电压幅度的大致范围如图所示 图中的VIH是输

2、入最低高电平。只要输入VinVIH，就认为输入逻辑1。 图中VIL是输入最大低电平。只要输入VinVIL，就认为输入逻辑0。 VIL和VIH之间这段范围就是不确定区，也就是电路无法判别在此区域内的输入量是何种逻辑状态 通常定义电压传输曲线中斜率绝对值为1的辅入电压分别为VILmax和VIHmin。 分别称为最大输入低电平和最小输入高电平。 VOHmin和VOLmax分别称为最小输出高电平和最大输出低电平。 在数字电路级联工作时，为了保证正确的逻辑关系，它们应满足： VOHminVIHmin VOLmaxVILmax 在倒相输出的直流电压传输特性图中作直线 Vout=Vin， 该直线与特性曲线相

3、交，交点对应电压成为逻辑门阈值电压VTH。 噪声容限定义 激励门的最大输出低电平与被激励门能够识别的最大输入低电平之差定义为低电平噪声余度 NML； 激励门的最小输出高电平与被激励门能够识别的最小输入高电平之差则定义为高电平噪声余度NMH 低电平噪声容限 NML= VILmax-VOLmax 高电平噪声容限 NMH= VOHmin-VIHmin 逻辑门的噪声容限NM由下式表达： NM=minNMH ， NML 一个电路的输出必须能驱动一个以上的同类电路，这称为“扇出能力”。 一个逻辑电路能够接受的激励源数则称为该电路的“扇入数”。 数字电路的瞬态特性 数字电路的瞬态特性是研究数字电路输入电压随

4、时间变化时其输出电压的变化规律。 通常令输入电压Vin(t)是一个幅度为VOH的理想方波； 输出电压的高、低电平分别是VOH和VOL。 实际上，由于晶体管内部物理效应和电路输出端等效电容的作用，倒相输出电压波形如图3-3(b)所示。 图中定义了描绘瞬态特性的四个时间参量，它们是tf、tr、tpf和tpr。 图3-3 倒相输出的瞬态特性曲线 下降时间tf是输出电平从满幅的90%降到l0%的时间，相对应的电压为V1和V0： V0VOL-0.1(VOH-VOL) V1VOL+0.9(VOH-VOL) 上升时间tr是输出电压从V0上升到V1的时间。 为了简便，有时也可以用VOH和VOL代替V1和V0。

5、 下降延迟时间tpf是输入阶跃处t1到输出电压降至50%，即降至电压 V1/2=(VOL+VOH)/2 所需要的时间 上升延迟时间tpr则是从输入阶跃t2 处到输出电压升至V1/2的时间。 数字电路的基本单元是逻辑门电路。 代表两个理想二进制状态的高、低电平分别是电源电压VDD和零。 理想逻辑门的输入阻抗应当非常高，因而对输出驱动信号的激励源说来，几乎无直流负载效应。 理想逻辑门的输出阻抗应很低，即可以输出较大的电流而不影响输出电平 对理想逻辑门而言，逻辑状态的改变应不花费时间，亦即逻辑电平的变化应是阶跃的。 实际的逻辑门电路与理想的逻辑门电路有较大的差异。 3.2 CMOS倒相器 理想倒相器

6、符号及真值表 理想倒相器的直流传输特性 倒相器的直流传输特性说明了输出电压与输入电压的静态关系 输入电压为零时，输出电压为VDD，输入电压增大，达到某一电压VTH时输出电压从VDD转变为零，即输出从逻辑“1”转变为逻辑“0” 由于器件的非理想特性，实际倒相器的直流传输特性和瞬态特性取决于驱动管与负载器件的特性 瞬态特性还和电路中的输出等效电容COUT有关。 CMOS倒相器电路结构图3.2.1直流传输特性分析 在CMOS倒相器中，输人电压Vin同时接到两个晶体管的栅极，输出端接至两个晶体管的漏极，因此已不存在所谓负载管和驱动管的概念，而是以互补的方式工作。 PMOS管和NMOS管在不同工作区域内

7、的电压关系列在表3-1中。表中VTN表示NMOS管的阈值电压，VTP是PMOS管的阈值电压。注意，VTP00Vin-VDD-VTP0 V VGSPGSP-V-VTPTPVVDSPDSP00Vin-VDD-VTPVDSP0 VDSPVGSP-VTP0VDSPVin-VDD-VTP0 NMOS管 V VGSNGSN-V-VTNTN00Vin-VTNVDSN0Vin-VTNVDSN0 VDSNVGSN-VTN0VDSNVin-VTN0 表3-1 CMOS倒相器各工作区电压关系 CMOS倒相器的直流传输特性 图3-11 CMOS倒相器的工作状态可以分为五个区域来讨论，它们的电压关系由表3-1决定。相应

8、于这五个工作区的传输特性如图3-11中A、B、C、D、E所示。 由CMOS倒相器电路结构图可知： Vin =VGSN , Vout=VDSN VGSP=Vin-VDD , VDSP = Vout-VDD CMOS倒相器直流特性分析 A区 在VinVTN时，NMOS管截止，IDSN为零。这时VGSPVTP， 所以PMOS管导通,但 IDSP= -IDSN=0，因此倒相器输出电压： Vout=VOH=VDD 十分明显： VGDP=Vin-VDDVTP 所以： VinVTP+VDD 可见在此工作范围内，NMOS管截止， PMOS管处于非饱和区。 B区区 即即VinVTN时在此阶段内，由于时在此阶段内

9、，由于NMOS管刚导管刚导通，输出电压也没有发生显著变化，所以通，输出电压也没有发生显著变化，所以PMOS管管仍维持在非饱和状态；但是仍维持在非饱和状态；但是NMOS管导通，管导通，NMOS管工作在饱和区，有：管工作在饱和区，有： 2|222inDDOUTDDTPinDDPTNinNVVVVVVVVV 由上式可求得输出电压是：由上式可求得输出电压是： 2/ 1222TNinPNDDTPDDinTPinTPinoutVVVVVVVVVVV 由：由： VGSN - VTN =Vin- VTN VDSN= Vout 可推出：可推出： VinVDSN+VTN= Vout +VTN 且：且： Vin-V

10、DD-VTP Vout-VDD 0 即在以上的条件下，前面推出的方程将成立。即在以上的条件下，前面推出的方程将成立。 C区 当Vin=VOUT 时，使得本区域内NMOS管和PMOS管均处于饱和区工作状态由晶体管电流方程有： 22|22TPinDDPTPinNVVVVV 它对应着陡峭下降的特性，对应此时的输入电压是： PNDDTPPNTNTHinVVVVV/1|/通常将这个电压值作为倒相器的阈值电压。若取N=p，VTN=|VTP|.则上式变为： Vin=VTH=VDD/2 D区 即当VinVDD-|VTP|时。 这时NMOS管进入非饱和区，而PM0S管仍维持在饱和区。由晶体管电流方程有： 22|

11、22TPinDDPoutoutTNinNVVVVVVV由此求得输出电压是： 2/122|TPDDinNPTTNinTNinoutVVVVVVVV E区 即当VinVDD-|VTP|时。这时PMOS管截止，IDSP=0，但NMOS管仍处于非饱和状态。因此，输出电压： Vout=VOL=0 为了保证倒相输出数字电路可靠地工作，为了保证倒相输出数字电路可靠地工作，应满足：应满足：IHinILinDDoutVVVVVV 0 式中，式中，VIL称为最大输入低电平；称为最大输入低电平；VIH称为最小输入高称为最小输入高电平电平为了保持为了保持Vout处于可靠的逻辑处于可靠的逻辑“1”状态时的输入电状态时的

12、输入电压不得超过压不得超过VIL 。同样为了保证。同样为了保证Vout处于可靠的逻辑处于可靠的逻辑“0”状态时，输入电压不得小于状态时，输入电压不得小于VIH。 参数参数VIL和和VIH的求取的求取通常将通常将VIL和和VIH定义在倒相器直定义在倒相器直流传输特性曲线斜率等于流传输特性曲线斜率等于-1处所处所对应的输入电压，如下图所示对应的输入电压，如下图所示 根据前面的分析， VIL和和VIH应出现在直流电压传输特性曲线的B、D两端。由B段输出电压公式： 2 / 1222TNinPNDDTPDDinTPinTPinoutVVVVVVVVVVV 设X=N/P，在式中将Vout对Vin求导令导数值为-1可得到 ： VIL23-2X-X2+VIL(6+2X)(|VTP|-VDD+XVTN) +3VTP2+3VDD2+VTN2(-4X-X2)+6VTPVDD +2XVTNVTP+2XVTNVDD0 若令X1，可求得： 85|33TNTPDDILVVVV用相同的方法，由用相同的方法，由D