数字集成电路

反相器MOSPMOS最找进入市场,工艺简单,成本低NMOS优于PMOS,速度高,µ反向器是数字集成电路电路最基本的单元反相器、倒相器、非门是一回事MOS倒相器可分为电阻负载型增强型MOS管负载型耗尽型MOS管负载型负载管为PMOS管时的是称为CMOS倒相器反相器MOS耗尽型：栅源电压为零，导电沟道存在，只要加一定的漏源电压，就产生漏极电流增强型：栅源电压加到一定程度，才形成沟道，后加漏源电压，就产生漏极电流。反相器特征输入为高电平；输出为低电平。输入为低电平；输出为高电平。两方面：直流传输特性；瞬态特性MOS管直流传输特性MOS管直流传输特性随着输入电压增加,NMOS管先进饱和,后进入线性区MOS管直流传输特性当Vin<VT时,驱动管截止,漏源之间有微量电流通过,电源电压大部分降到驱动管上了,输出电压Vout=VDS,接近于VDD,记作VOH当Vin>VT时,驱动管导通,并进入饱和MOS管直流传输特性Vin继续增大,当Vin-VT>VDS时,线性工作区MOS管直流传输特性非线性图解,可得如图所示的传输特性曲线通常把MOS管直流传输特性瞬态特性tf输出电压从摆幅的90%降到10%的时间Tr输出电压从摆幅的10%升到90%的时间Tpf输入阶跃处t1

时刻到输出电压降至50%Tpr输入阶跃处t2时刻到输出电压升至50%瞬态特性(下降时间)倒相器下降时间分两部分一部分是Cout从VOH---VOL(nS);另一部分沟道电子渡越时间(pS)只考虑放电时间,负载管的漏电流远小于ID瞬态特性(下降时间)瞬态特性(下降时间)瞬态特性(下降时间)瞬态特性(下降时间)瞬态特性(上升时间)上升时间,是对电容充电过程从10%----90%瞬态特性(下降延迟时间)瞬态特性(下降延迟时间)瞬态特性(下降延迟时间)瞬态特性(上升延迟时间)功率延时乘积要提高倒相器的工作速度,减少延迟时间,在一定输出等效电容的情况下,要增大输出电容放电和充电电流,增大充电电流意味着增大负载管的功耗增大放电电流意味着增大驱动管的功耗提高速度和降低功耗是一对矛盾用tpPav来作为电路性能的参数功率延时乘积

电阻负载型MOS倒相器

电阻负载型MOS倒相器当VOUT下降到Vin-VT值时,驱动管进入非饱和状态,它的电流方程为:电阻负载型MOS倒相器

V0HV0LVIHVILV0H:如忽略漏电流的情况,V0H=VDD当输出电压为V0L时,器件处在非饱和状态电阻负载型MOS倒相器

V0HV0LVIHVIL电阻负载型MOS倒相器

V0HV0LVIHVIL电阻负载型MOS倒相器分析输出高电平VOH=VDD输出低电平VOL与RLβ有关RLβ越大,VOL越低过渡斜率也与RLβ有关,RLβ越大,无论饱和还是非线性,斜率dVout/dVin越大,即过渡区越窄.为了得到较低的VOL,窄的过渡区,在W/L一定的情况下,选择较大的电阻,占用较大的芯片面积,因此倒向器常采用晶体管作负载.电阻负载型MOS倒相器的瞬态特性电阻负载型MOS倒相器的瞬态特性电阻负载型MOS倒向器的瞬态特性电阻负载型功率延时乘积电阻负载型功率延时乘积电阻负载型功率延时乘积电阻负载型总的功率延时乘积电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计电阻负载倒相器设计增强型MOS负载倒相器电阻型负载占用面积大;限制了使用,用NMOS晶体管代替线性电阻。负载管与驱动管采用同样的制作工艺,工艺参数β相同。驱动管:VDSD、VGSD、VTD、（W/L）D。负载管:VDSL、VGSL、VTL、（W/L）L。适当选择偏置，负载管可以工作在饱和与非饱和状态，分别称为饱和与非饱和增强型NMOS倒向器增强型MOS负载倒相器驱动管与负载管在同一衬底上驱动管的源极与衬底电位相同，负载管的源极与衬底的电压VSBL=VOUT，从而引起负载管的偏置效应。使负载管阈值电压是VOUT的函数分别讨论两种情况：负载管饱和与非饱和饱和增强型MOS负载倒相器饱和增强型MOS负载倒相器饱和增强型MOS负载倒相器饱和增强型MOS负载倒相器饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒向器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定V0HV0LVIHVIL饱和增强型MOS负载倒相器

确定Vth饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性饱和增强型MOS负载倒相器

瞬态特性非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒向器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器非饱和增强型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载，驱动管仍用增强型器件，耗尽型器件具有恒流作用，速度快，噪声容限大，占用芯片面积小和设计简单等优点栅极与源极相连，即VGSL=0，由于耗尽型器件阈值电压VTL<0，故负载管处于导通状态VDSL>-VTL，管子处于饱和状态VDSL<-VTL，管子处于非饱和状态耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器耗尽型MOS负载倒相器CMOS倒相器微功耗,只在电路转换时才有损耗功率,静态时只有漏电流小功率截止非饱和饱和NMOSVin<VTnVin-VTn>VDSnVin-VTn<VDSnVGSn<VTnVDSn>0VGSn>VTnVGSn>VTnPMOSVGSp>VTpVGSp<VTpVGSp<VTpVin>VTp+VDDVin<VTp+VDDVin<VTp+VDDVDSP<0CMOS倒相器截止非饱和饱和NMOSVGSN<VTnVGSn>VTnVGSn>VTnVGDN>VTnVGDn<VTnPMOSVGSP>VTpVGSn<VTPVGSn<VTPVGDN<VTnPVGDn>VTPCMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性CMOS倒相器的开管特性反相器的输出电容反相器的输出电容自举反相器在饱和的E/E反相器增加一个预充值管和自举电容自举电容两端的电压预值在VGSL=VDD–VTE–V0L

≈VDD–VTE在输入由高电平变为低电平时,输出则由低变高,因为电容两端的电压不能突变,负载管栅电位将随输出电压升高而升高,这就是自举效应当输出电压升高到2VTE

时,预充偏置处于截止状态,自举电容上的电荷应保持不变,负载管就处于固定栅源工作状态,此时VGSL

≈VDD+VTE

负载管也由饱和状态转为非饱和状态,输出高电平电压为VDD自举反相器消除了饱和的E/E反相器的阈值电压,自举电容大小对自举有很大影响特性曲线未变衬调系数对自举影响较大,低的衬调系数,本身栅极电容较大,所以自举电容可以选小一些.上升时间比高衬调系数的电路短的多自举电容比栅极电容对上升时间影响比重较大自举效率补充因漏电而损失的电荷负载管的栅电压靠C0

、CB

上预充电荷来完成的由于结的漏电，电荷将逐渐泄放，从而使栅压下降，导致输出电压下降，甚至负载管截止。为了减小输出电压的下降，输出端增加上拉元件MARA，MA

的W/L比ML

小的多,RA阻值也高，仅为了补偿漏电荷的损失。CMOS反相器功耗静态功耗：反向漏电流造成的动态功耗：开关瞬态电流造成的功耗负载充放电造成的功耗输入为0，NMOS截止，PMOS导通，输出为1输入为1，NMOS导通，PMOS截止，输出为0从VDD

到VSS

无论哪种情况，总有一管子截止CMOS反相器功耗理想状态下它的静态功耗为零，如考虑漏电流，则静态功耗为反向漏电流乘上电源电压，非常小，约为1-2nWCMOS反相器功耗CMOS反相器功耗CMOS 设计的准则动态有比反相器门电路的正确操作与PMOS和NMOS管的相对尺寸无关,即与沟导宽长的比值无关,为无比反相器动态有比反相器就是静态的E/E有比反相器的负载管改为时钟控制动态有比反相器工作原理动态无比反相器驱动管和负载管总是交替导通的,二者对尺寸的比例没有固定的要求推挽式动态反相器,其中Φ1

Φ2两个互不重叠的时钟动态无比反相器动态无比反相器存在问题

求值时钟结束前,输入电平必须稳定,在求值阶段输入不能变预充作用期间,输出信号不真实动态无比反相器动态无比反相器漏举电路,提高输出电平漏举电路,提高输出电平漏举电路,提高输出电平按比例缩小理论恒定电场(CE)恒定电压(CV)准恒定电源电压(QCV)恒定电场(CE)

特点:器件尺寸、电源电压及衬底浓度这三个参数按一比例因子变化所有水平方向和垂直方向器件尺寸按比例缩小1/α，与此同时，为了保持器件中各处的电场强度不变，所有的工作电压按比例变为原来的1/α，为了耗尽层宽度减小1/α，衬底浓度增大α倍恒定电场(CE)

恒定电场(