CMOS反相器的与设计

第3章CMOS反相器的分析与设计第3章CMOS反相器的分析与设计3.1CMOS反相器的结构和基本特性3.2CMOS反相器的直流特性3.3CMOS反相器的瞬态特性3.4CMOS反相器的设计23.1CMOS反相器的结构和基本特性NMOS管的衬底接地，PMOS管的衬底接VDD。输入端——栅极输出端——？极如何判断分析器中NMOS和PMOS器件的源漏区？是否有衬偏效应？34CMOSInverter特点：Vin作为PMOS和NMOS的共栅极；Vout作为共漏极；VDD作为PMOS的源极和体端；GND作为NMOS的源极和体端VVinout反相器的逻辑符号3.1CMOS反相器的结构和基本特性若输入为“1”(Vin=VDD)：VGSN=VDD，

VGSP=0VNMOS导通，PMOS截止输出“0”(Vout=0V)53.1CMOS反相器的结构和基本特性若输入为“0”(Vin=0V)：VGSN=0V，

VGSP=－VDDNMOS截止，PMOS导通输出“1”(Vout=VDD)63.1CMOS反相器的结构和基本特性无比电路数字电路中作为开关使用(导通电阻、截止电阻)NMOS——下拉开关，PMOS——上拉开关73.2CMOS反相器的直流特性3.2.1直流电压传输特性3.2.2直流转移特性3.2.3直流噪声容限83.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性输出电平与输入电平之间的关系：直流电压传输特性(VTC)NMOS与PMOS可以同时导通：并始终有如下关系：93.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性Vin=VTN的垂直线：NMOS截止/导通Vin=VDD+VTP的垂直线：PMOS导通/截止Vin－VTN=Vout的斜线：NMOS饱和区/线性区Vin－VTP=Vout的斜线：PMOS线性区/饱和区103.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性(1)0≤Vin≤VTN，NMOS截止，PMOS线性Vin在一定范围变化(0～VTN)，Vout始终保持VDD。113.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性(2)VTN<Vin<Vout+VTP，NMOS饱和，PMOS线性Vout随Vin的增加而非线性地下降,Kr=KN/KP为比例因子。123.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性(3)Vout+VTP≤Vin≤Vout+VTN，NMOS饱和，PMOS饱和133.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性(3)Vout+VTP≤Vin≤Vout+VTN，NMOS饱和，PMOS饱和Vit：逻辑阈值电平(转换电平)，VTC垂直下降如果VTN=-VTP，KN=KP，

则Vit=VDD/2，Vout/Vin趋向于无穷大。143.2.1CMOS反相器的直流电压传输特性(4)Vout+VTN<Vin<VDD+VTP，NMOS线性，PMOS饱和Vout随Vin的增加而非线性地下降。153.惯2.独1暂CM秀OS反相辞器的牢直流光电压腥传输碍特性(5斧)VDD≥Vin≥VDD+VTP，NM贫OS线性，PM披OS截止Vin在一屿定范史围变渐化(VDD+VTP～VDD)，Vou艰t始终仰保持0。163.劳2.致1调CM驼OS反相鞠器的成直流津电压锋传输割特性Vin=VTN的垂穴直线：NM谣OS截止/导通Vin=VDD+VTP的垂肃直线：PM者OS导通/截止Vin－VTN=Vou法t的斜阅线：NM惩OS饱和夫区/线性达区Vin－VTP=Vou武t的斜俯线：PM括OS线性略区/饱和吧区17183区的殿高度未为两傻个阈今值之易和Vo峰lt弦ag俘e踩Tr蹲an僚sf枪erCh职ar遗ac禁te信ri罪st验ic县(V找TC)VDDVVinoutVou辩t+VTP=VinVou诵t+VTN=Vin3.田2.洲1卫CM严OS反相晚器的靠直流夕电压竟传输灵特性理想VT届C曲线：(1矩)为输妄出高桶电平破区，(2高)、(3康)、(4心)为转循变区器，(5卸)为输忆出低臣电平龟区。其中(3怪)表现笼为垂限线段。实际VT规C曲线：(3孟)不再蛮是垂窃线段好；偏票移。193.回2.腥1甜CM尾OS反相尼器的锤直流稳电压菜传输扎特性VT共C的偏寸移：203.创2.坟2蓬CM坦OS反相西器的缠直流让转移演特性直流歇转移消特性：直流吐导通究电流Ion随Vin的变落化而席发生的变化VT联C的输乔出高/低电平闲区：Ion=腔0VT靠C的转变踩区：Ion≠烛0Vin=Vit时，Ion达到德最大凶值：213.戒2.务3雨CM文OS反相均器的欲直流灾噪声滋容限直流断噪声杠容限：允许炭的输碌入电虑平变府化范今围由单殃位增南益点碎确定商噪声拦容限：在VT酱C的(2勿)区和(4梯)区，分别盛可以朗找到氧增益恭为1的位朵置；分别找作为输入挑低电狐平的库最大务值VIL歼ma束x和输庆入高烤电平皮的最行小值VIH荣mi弟n；223.俊2.队3岩CM泊OS反相呼器的披直流想噪声妄容限如果Kr=1裂,VTN=－VTP=VT采用坚对称熟设计态的CM常OS反相衫器有家相同冲的输副入高卧电平魔和输亏入低物电平握的噪繁声容锣限。233.婚2.伯3突CM驰OS反相锻器的呢直流聚噪声沟容限由逻兰辑阈扯值确定噪声燥容限：若Vit=VDD/2，VNH乞M=VNL劫M＝VDD/2。实际凤情况，VNH令MVNL协M，最大棉直流赢噪声谢容限孙由mi词n{VNH怀M,VNL悉M}决定。2425例话题一个CM锐OS反相静器，Kr=1，设VDD=单5V，VTN=奏0.烫8V，VTP=贿-1蝴V，Cox=待4.饰6×盐10-8F/导cm2，μn=孙50倚0芹cm2/V哨s、μp=跨20嚷0般cm2/V顷s。由险逻辑箭阈值角点确惕定的团最大略噪声胡容限丑为多冻少？26反相钳器的套直流给噪声准容限数字涝电路膜中信舌号在VDD和Gn卖d之间豪转换终，各赠种干蜘扰信夕号，固可能恋使得迹电路芳中某邮些结亩点的榜信号强电平味偏离族理想滑电平浮（VDD，Gn卡d），女产生坚所谓拨的噪眯声噪声叫会对吨电路顿的可忌靠性亡造成软影响i(t)In局du两ct利iv欧e献co良up稀li危ngCa抹pa源ci毙ti秒ve忆c兆ou服pl柱in畜gPo钱we反r斑an孤d埋gr殖ou德ndno库is弹ev(t)VDD27数字堪电路谦具有欺可恢龄复逻铅辑特挥性可恢栋复逻晚辑特千性不可熊恢复党逻辑性特性3.寇3蜘CM忍OS反相搬器的眠瞬态卧特性3.箩3.笑1负载切电容3.果3.城2输出续电压完的上浸升时冠间和销下降坏时间3.思3.丑3传输绒延迟稼时间雷的计覆算3.诵3.我4电路杏的最刘高工钉作频涌率283.计3.英1虽CM臂OS反相交器的抗负载厘电容三部闲分：MO南S管的州漏-衬底pn结电兔容CDB板N和CDB暗P；下级湿电路绍的输繁入电晴容Cin；互连爪线引赵起的赞寄生撕电容Cl。293.哲3.将1绩CM愿OS反相大器的沙负载杠电容pn结电益容用机平均里电容带代替督：如果返连线死较短复，连线管寄生魔电容Cl可以甘忽略。30310.限25mm拒CM踏OS炮C寨ap湿ac而it年an胖ce虎sW/L=0潜.3弦6u虾m/叙0.滔25伙um的NM援OS（LD,蜘S＝0.乏62拿5u仅m）根据岗设计示规则托，计反算出击栅和锄漏端六的电吉容如果紧考虑舰反偏科电压顷和适笨当的肺版图绿优化狗，二屈者基疲本相缴等，逃漏端魔电容种甚至抚更小紧些3.场3.盛1形CM岗OS反相勾器的建负载槽电容Cin由下茄级电衣路全钳部NM材OS和PM赚OS的栅暴电容蜜构成。栅电赵容决璃定于晌栅面锁积(W×L)和单报位面桑积栅在氧化辣层电蕉容Cox。323.逐3.特2另CM来OS反相党器输蠢出电笼压的坚上升/下降探时间定义誉：输出妖上升奥时间(tr)：V10池%～V90诱%输出俭下降娘时间(tf)：V90晋%～V10负%333.剩3.郑2世CM延OS反相赌器输榆出电可压的辫上升/下降顶时间(1凯)阶跃亡输入菜的上部升时任间PM肿OS的导音通电溉流是驳对负茫载电惧容充久电的蚊电流：Vou欲t≤－VTP时，PM宁OS饱和：Vou颜t从V10驱%上升挡到－VTP的时恭间：343.亡3.插2摸CM鲜OS反相计器输驴出电歉压的翻上升/下降窜时间(1料)阶跃侨输入丈的上院升时东间Vou柄t>－VTP时，PM警OS线性始：Vou统t从－VTP上升讲到V90锐%的时隔间：总上缠升时堪间：353.配3.复2骂CM哗OS反相置器输豪出电劫压的剂上升/下降率时间(2荡)阶跃析输入袍的下迁降时井间NM盯OS的导断通电丛流是寺对负立载电晴容放电的庭电流：Vou稼t≥VDD－VTN时，NM制OS饱和：Vou码t<VDD－VTN时，NM晚OS线性趣：363.认3.母2渣CM技OS反相运器输号出电酒压的执上升/下降桥时间(2姓)阶跃框输入薪的下蝴降时带间总的宅下降哄时间郊：若参绵数对僵称，愈则两雨时间忍相等夸。两时间漂主要扁由负驴载电请容和汤导电糊因子克决定拴。373.孙3.卧2件CM土OS反相催器输毯出电铲压的贵上升/下降冬时间(3揪)非阶典跃输甲入情饱况负载线电容的充电怖或放织电电贫流是NM魂OS和PM仍OS电流阔之差：计算忌复杂士，很纽奉难给妄出解傅析解幕。上升/下降暴时间历不仅匹与反躁相器聚的参秃数有妙关，弯还与潮输入烧信号曾的波盏形有讽关。383.框3.帜3益CM遭OS反相留器传徐输延惯迟时界间的公计算tPH蓝L，tPL筹H，393.过3.秤3级CM普OS反相芒器传秆输延访迟时墓间的搁计算近似绿认为tPL沈H内只金有PM耽OS导通棍，tPH年L内只覆有NM舟OS导通：用最馆大导更通电吼流的胁一半缓作为适平均所电流：对称说设计况时：4041提高扯反相捡器的加速度增加雄器件凳的宽长第比会同疼时增哈加导摄电因美子和巨器件番的栅疮电容萝和漏摊区电术容对于亏固定酒的大岗负载内电容玩可以职通过至增加呈器件乔尺寸砍提高毅速度对于旧小负梢载，蒙反相搞器速视度不遮会随穴着尺最寸出稠现明甘显增与加42瞬态惜响应迟：仿辟真波挡形tpL婚HtpH茧L3.越3.到4电路逼的最勒高工零作频滨率必须探维持搅输入姑信号率的时针间大赞于电吉路的堤延迟坝时间。若输入竖信号洽的占银空比惜为1：1，则其周期经需要宪满足雁：对称菊设计青有利猫于提弹高电获路的进工作依频率棵。433.欲3.山4电路刊的最窄高工宇作频丘率使用穿环形流振荡犁器测艺量电路致的工作撤频率及延迟谱时间：普遍感规律女：其中n是反岗相器寺的级坊数，应为叼奇数筑。44453.拌4情CM列OS反相目器的阻设计完成购能够假实现涂设计虑要求螺的集隙成电推路产严品设计雪要求待：功能可靠男性速度面积功耗46噪声瞎容限尖：逻阿辑阈采值点观把Vit做为榆允许闻的输策入高口电平偶和低电延平极粗限VNL雷M=VitVNH格M=VDD-VitVNL岁M与VNH墙M中较丽小的决定岭最大饥直流吵噪声喂容限1、反谢相器偷的可隐靠性47可靠盲性：票噪声盼容限面向滚可靠缴性最瓦优的单设计立目标爹，噪疼声容缘瑞限最剖大就狼是使详得Vit＝VDD/2在反翼相器虽的设六计中传通过具器件暑尺寸幅的设骗计保搜持电恨路满泽足噪补声容白限的乖要求利用版噪声净容限蔑的设肿计要散求可冲以得嫂到Wp和Wn的一茂个方司程482、反慎相器尺的速塔度一般圾用反雀相器画的平化均延纳迟时刺间表蛙示速幕度也可秃以分蒸别用这上升丽和下萍降延熄迟时沈间表虏示利用稀速度滨的设峰计要也求可郑以得怕到Wp和Wn的一此个方悄程493、反证相器耗的面液积减小技器件茅的宽怒度可邻以减它小面头积例如蓝最小按面积逢的要封求可季以采锤用最膀小尺宿寸的岂器件瓣尺寸利用盛面积范的设闷计要各求可委以得些到Wp和Wn的一仍个方吃程PolysiliconInOutVDDGNDPMOSMetal1NMOSContactsNWell504、反飘相器芹的功帐耗增加衡器件扒宽长愤比会肌增加恼电容电路消速度予增加睬也会伙提高惩功耗电源罗电压共的增榜加功耗膝暂时宋不作宁为反滩相器女设计粒的约残束51反相渠器设跟计：归综合利用循可靠假性、粉速度打和面碎积约恼束中览的两猛个就杜可以博得到左一组Wp和Wn对称盯反相领器：情对于NM租OS和PM确OS阈值虑基本万相等鼻的工签艺，住设计Kr＝1对称退反相售器具劫有最捧大的秤噪声割容限迅和相险等的峡上升情和下环降延最迟，更在没形有具其体设陵计要冈求情膊况下恐是相仔对优脆化的离设计例子设计迅一个CM僻OS反相添器，昏使(本1里)最大王噪声桃容限拣不小咬于0.馆44忙VDD，(牧2齿)且驱诊动1p耽F负载捐电容专时上惊升、羊下降都时间得不大并于10假ns，设VDD=悼5V，VTN=嫌0.眯8V，VTP=涂-0助.9抹V，KN'=μPCox=12维0×嘉10-6A/锁V2，KP'=μnCox=60姓×1览0-6A/般V2问题: