大数电4 3反相器设计

第四章CMOS单元电路14.3

反相器的设计CMOS反相器24.1

CMOS反相器的直流特性4.2

CMOS反相器的瞬态特性4.3

CMOS反相器的设计CMOS反相器VDDV

inVou

t反相器的设计变量包括NMOS和PMOS的宽度和长度实际的设计变量就是NMOS和PMOS的宽度（Wp和Wn）Vin3Vout反相器的逻辑符号CMOS

反相器的设计4完成能够实现设计要求的集成电路产品设计要求：功能可靠性速度面积功耗噪声容限：逻辑阈值点

把Vit做为允许的输入高电平和低电平极限

VNLM=VitVNHM=VDD-Vit

VNLM与VNHM中较小的决定最大直流噪声容限1、反相器的可靠性Vit

=

VTN

+51

Kr

(VDD

+VTP

)=1+

1

KrKr

VTN

+VDD

+VTP1+

Kr6可靠性：噪声容限面向可靠性最优的设计目标，噪声容限最大就是使得Vit＝Vdd/2在反相器的设计中通过器件尺寸的设计保持电路满足噪声容限的要求利用噪声容限的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程Vit

=

VTN

+1

Kr

(VDD

+VTP

)=1+

1

KrKr

VTN

+VDD

+VTP1+

Kr2、反相器的速度(

)221Iav,HLtp

=

tpHL

+

tpLHtpHL

=

CLDVHL

»tf(1-a

N

)21CLDVLHIav,LHtpLH

=»tr1-a

P271112tp

=

tr+2

Kr

1

-a

N

(

)(1

-a

P

)

一般用反相器的平均延迟时间表示速度也可以分别用上升和下降延迟时间表示利用速度的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程3、反相器的面积减小器件的宽度可以减小面积例如最小面积的要求可以采用最小尺寸的器件尺寸利用面积的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程PolysiliconInVDDGNDPMOSOutMetal

1NMOSContactsNWell84、反相器的功耗9增加器件宽长比会增加电容电路速度增加也会提高功耗电源电压的增加功耗暂时不作为反相器设计的约束P

=

C fV

2D

L

DD10反相器设计：综合利用可靠性、速度和面积约束中的两个就可以得到一组Wp和Wn对称反相器：对于NMOS和PMOS阈值基本相等的工艺，设计Kr＝1对称反相器具有最大的噪声容限和相等的上升和下降延迟，在没有具体设计要求情况下是相对优化的设计(

)221Iav,HLtp

=

tpHL

+

tpLHtpHL

=

CLDVHL

»tf(1-a

N

)21CLDVLHIav,LHtpLH

=»tr1-a

PVit

=

VTN

+

1

Kr

(VDD

+VTP

)=1+

1

KrKrVTN

+VDD

+VTP1+

Kr例题11设计一个CMOS反相器，使最大噪声容限不

小于0.44VDD，且驱动1pF负载电容时上升、下降时间不大于10ns设某0.5微米工艺，VDD

=

5V，VTN

=

0.8V，VTP

=

-1V，Cox

=

4.6×10-8

F/cm2，μn=

500

cm2/Vs、μp

=

200

cm2/Vs。确定NMOS和PMOS宽长比上升时间下降时间最大噪声容限瞬态中的电容，根据条件可以忽略MOS栅电容和PN结电容，取1pFVit

=

VTN

+

1

Kr

(VDD

+VTP

)=

KrVTN

+VDD

+VTP1+

1

Kr

1+

KrP12PKPVDDrr+t

=t

=

t0.11.9-2a

1

2(1-a

P

)a

-0.1ln(

)r

(1-a

P

)2CL则

tr=1.85τr=10ns,

τr=5.4nsαN=VTN/VDD=0.16,

αP=-VTP/VDD=0.2得到：KP=3.7×10-5

(A/V2)»

8

P

L

W

同理得到：

tf=1.73τf=10ns

,

τf

=5.78nsKN=3.46×10-5

(A/V2),»

3

N

L

W

)P13PKPVDDrr+t

=t

=

t0.11.9-2a

1

2(1-a

P

)a

-0.1ln(r

(1-a

P

)2CLKP

>=3.7×10-5(A/V2)»

8

P

L

W

KN>=3.46×10-5

(A/V2)»

3

N

L

W

Vit

=

VTN

+

1

Kr

(VDD

+VTP

)=1+

1

KrKrVTN

+VDD

+VTP1+

Kr考察噪声容限：VNLM=Vit=2.43V=0.49

VDD,VNHM=VDD-

Vit=2.57V=0.51

VDD满足噪声容限14CMOS反相器154.1

CMOS反相器的直流特性4.2

CMOS反相器的瞬态特性反相器设计NMOS反相器CMOS和NMOS反相器结构比较2个可控开关开关+常导通负载161、饱和负载NMOS反相器负载特性)2D

2VG2

=

VD

2

=

VDDI

=

K2

(VDD

-VT

-Vout当Vout=

VDD

-VT，ID

2

=

02个增强型NMOS组成,M1是可控开关,驱动管,负载管M2总是在饱和区172、电阻负载NMOS反相器负载特性一个多晶硅电阻做负载1819电阻负载反相器的VTC0

£

Vin

£

VTN0

<Vin

-VT

£Vout2.M1截止ID1=IR=0,

Vout=VOH=VDD1.M1饱和3.VDD

‡

Vin

>

Vout

+VTM1线性V

2VOL

»

DD

2Kr

(VDD

-VT

))21

inTLRVDD

-Vout=

K

(V

-VDD

L

1r2TinDDVK

=

V

R

K(V

-V

)

,K-

rVout

=

VDD)

(2LRVDD

-Vout)2

=

K

(V-V-

V

-V

-V1

in

T

in

T

outIRLRLVDD

-VOL

VDDon

=»电阻负载反相器的瞬态特性上升过程LLCdt

RdVout

=

VDD

-Vouttr

=tr

ln

(1-

u1

-

ln

(1-

u2

=

2.2tru1

=

0.1,

u2

=

0.9,

tr

=

RLCL下降过程,

忽略负载电流与CMOS反相器相同))NNff2NNln0.1

a

-

0.1

1

a1.9

-

2t

=t+2

(1-a1-a(20CMOS和NMOS反相器直流特性比较VOHVDD-VTVDD

VDD饱和负载

电阻负载

CMOSVDDVOLKrK1/K2KE/KDVDDRLK1KN/KPKr=5VOL=

0.530.10.630IonTD0V

2V

2V

2

OH

2Kr

(VOH

-