集成电路版图设计-第五章反相器原理

集成电路版图设计周明珠zhoum杭州电子科技大学电子信息学院CMOS反相器电路原理分析电路仿真版图实现CMOS反相器电路结构标准的CMOS反相器电路

。注意1：NMOS和PMOS的衬底是分开的，NMOS的衬底接最低电位-地，PMOS的衬底接最高电位-Vdd。注意2：NMOS的源极接地，漏极接高电位；PMOS的源极接Vdd，漏极接低电位。注意3：输入信号Vi对两管来说，都是加在g和s之间，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接Vdd，所以Vi对两管来说参考电位是不同的。在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补◻

它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载它们都是增强型MOSFET对于NMOS有◻对于PMOS有对输入和输出信号而言，PMOS和NMOS是并联的CMOS物理结构的剖视图n沟道晶体管是在p阱区中制作的P沟道晶体管是在n型衬底上制作的两个晶体管的栅极联在一起形成输入端。NMOSGDBvGS+-

S当vGS＞VTN时导通当vGS＜VTN时截止PMOS-

SBvGSG+

D当∣vGS∣＞VTP时导通当∣vGS∣＜VTP时截止CMOS反相器的负载线CMOS反相器工作状态整个工作区可以分为五个区域：A区：0≤Vi≤VTNB区：VTN≤Vi≤VDD/2C区：Vi≈VDD/2D区：VDD/2≤Vi≤VDD/2+VTPE区：VDD/2+VTP≤Vi≤VDDA区：0≤Vi≤VtnNMOS截止

Idsn=0PMOS导通

Vdsn=VddVdsp=0等效电路如右图所示B区：Vtn≤Vi≤½VddVddNMOS导通，处于饱和区，等效于一个电流源：称之为NMOS平方率跨导因子。PMOS等效于非线性电阻：称之为PMOS平方率跨导因子。在Idsn的驱动下，Vdsn自Vdd下降,

|Vdsp|自0V开始上升。等效电路

。C区：Vi≈½VddNMOS导通，处于饱和区，PMOS也导通，处于饱和区，均等效于一个电流源，等效电路如右图所示。此时有，转移特性（续）两个电流必须相等，即Idsn=Isdp，所以如果βn=βp，且有Vtn=-Vtp，则有Vi=Vdd/2但是，μn≈(2-3)μp，所以应有Wp/Lp≈2.5Wn/Ln由βn=βp，Vtn=-Vtp和Vi=Vdd/2，应有VO=Vdd/2转移特性（续）β比(βn/βp)对转移特性的影响，如下图所示。D区：VDD/2≤Vi≤VDD/2+Vtp与B区情况相反：

PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源：NMOS强导通，等效于非线性电阻E区：Vi≥Vdd+VtpPMOS截止，NMOS导通。Vdsn=

0|Vdsp|

=VddIdsp=

0等效电路。CMOS反相器转移特性转移特性（续）PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性。•转移特性（续）对于数字信号，CMOS反相器静态时，或工作在A区，或工作在E区。此时有：从一种状态转换到另一种状态时，有：CMOS反相器功耗无论CMOS门处于这两种逻辑形态中的哪一种状态，两个MOS管中始终有一个管子是截止的。由于没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，所以，静态（稳态）电流和静态功耗PD都是0。CMOS反相器稳态支路电流A区：VTN管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流几乎为0。E区：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。BCD区：VTN管导通，VTP管导通，所以流过VTN和VTP管的漏极电流不为0。转移特性（续）对于模拟信号，CMOS反相器必须工作在B

区和D区之间，反相器支路始终有电流流通，所以Is-s>0，Pdc>0。CMOS反相器的瞬态特性研究瞬态特性与研究静态特性不同的地方在于必须考虑负载电容（下一级门的输入电容）的影响。脉冲电

升，下降和延迟时间的定义，既

。tr：(Vo=10%Vomax→Vo=90%Vomax)tf：(Vo=90%Vomax→Vo=10%Vomax)td

：(Vi=50%Vimax→Vo=50%Vomax)i)Vi从1到0,CL充电。在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为：Vdsn：0→Vdd |Vdsp|：Vdd→0

，即1→2→3→原点瞬态特性（续）考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和状态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算瞬态特性（续）瞬态特性（续）饱和状态时假定VC(0−)=0,

恒流充电时间段有积分得瞬态特性（续）非饱和状态时线性充电时间段有，积分得，经变量代换，部分分式展开，可得，总的充电时间为，tr=tr1+tr2如果Vtp=-0.2Vdd，则瞬态特性（续）ii)Vi从0到1,CL放电NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱和状态，故与上面类似，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计算。。瞬态特性（续）饱和状态假定VC(0−)=Vdd，恒流放电时间段有，积分得，瞬态特性（续）非饱和状态线性放电时间段有，瞬态特性（续）总的放电时间为tf=

tf1

+

tf2如果Vtn=

0.2Vdd，则如果Vtn=

|Vtp|，βn=βp，则tr=tfCMOS的输出波形将是对称的。CMOS反相器版图实现下图包括：–（a）垂直