第七章-MOS反相器

第七章MOS反相器

MOS反相器特性的分析是MOS基本逻辑门电路分析的重要基础

。1基本知识提示：0K(VGS-VT)2K[2(VGS-VT)VDS-VDS2]

K=K’(WL)K’=

Cox2Cox=

ox

otox

VTVBS2qsi

oNBCox

=IDS=NMOS:截止饱和非饱和NMOSPMOS增强型耗尽型四端器件衬底偏置效应：沟道长度调制效应(短沟效应):

=L1

Xd

VDS27.1电阻负载NMOS反相器

1.结构和工作原理VOH=VDD(VDD–VOH)/RL=0Vi为低电平VOL时，MI截止Vi为高电平VOH时，MI非饱和(VDD–VOL)

/RL

=KI[2(VOH-VTI)VOL-VOL2]ViVoRLVDDMI

VOL

VDD1+2KIRL(VOH

VTI)其中:KI=WL()

ox

o2tox37.1电阻负载NMOS反相器

2.基本特性RL若小：VOL高，功耗大，tr小;W/L若小(即KI小)：VOL高，功耗小,，tf大。ViVoRLVDDMNRL减小VILVIHVOHVOLVoVi0

VOL

VDD1+2KIRL(VOH

VTI)0VitVDD0VotVDD47.2E/E饱和负载NMOS反相器

1.结构和工作原理ViVoVDDMLMIVOH=VDD

VTLKL(VDD-VOH-VTL)2=0Vi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和KL(VDD-VOL-VTL)2=KI[2(VOH-VTI)VO-VO2]其中：R=KIKL=(W/L)I(W/L)LVOL

(VDD

VTL)22

R(VOH

VTI)有比电路57.2E/E饱和负载NMOS反相器

2.单元特点ViVoVDDMLMIVoVi

R减小(KI/

KL)(1)VOH比电源电压VDD低一个阈值电压Vt（有衬底偏置效应）；(3)ML和MI的宽长比分别影响tr和tf。(4)上升过程由于负载管逐渐接近截止，tr较大。(2)VOL与

R有关，为有比电路；0Vot67.3E/E非饱和负载NMOS反相器

1.结构和工作原理ViVoVDDMLMIVGG

VOH=VDDKL[2(VGG-VOH-VTL)(VDD-VOH)-(VDD-VOH)

2]

=0VGG

>VDD

+VTL

Vi为VOL时，MI截止，ML非饱和77.3E/E非饱和负载NMOS反相器

1.结构和工作原理(续)ViVoVDDMLMIVGGKI[2(VOH-VTI)VOL-VOL2]

KL[2(VGG-VOL-VTL)(VDD-VOL)-(VDD-VOL)

2]

=VOL

VDD22m

R(VOH

VTI)其中：R=KIKL=(W/L)I(W/L)Lm

=VDD2(VGG

VTL)

VDD0m<1Vi为VOH时，MI非饱和，ML非饱和87.3E/E非饱和负载NMOS反相器

2.单元特点ViVoVDDMLMIVGGVoVi(KI/KL)

R增大(1)双电源(2)VOH=VDD

(3)VOL与

R有关，为有比电路；(4)VGG越高，tr越小，但是VOL越大、功耗越大。97.4自举负载NMOS反相器

1.结构和自举原理初始状态：

VI=VOH，Vo=VOLMB、ML饱和、MI非饱和VOL

(VDD

VTB

VTL)22

R(VOH

VTI)其中：

R=KIKL=(W/L)I(W/L)L有比电路ViVoVDDMBMIMLCBVGLVGL=VDD

VTB107.4自举负载NMOS反相器

1.结构和自举原理(续)自举过程：

Vi

变为VOL,MI截止,Vo上升，

VGL随Vo上升(电容自举)，

MB截止,ML逐渐由饱和进入非饱和导通，上升速度加快。自举结果：

tr缩短，VOH可达到VDD。ViVoVDDMBMIMLCBVGL117.4自举负载NMOS反相器

2.寄生电容与自举率

VGLCO

=

VGSLCB

VGL=

VGSL+

Vo

VGL

=

Vo=1+Co/CB1自举率定义：CO由于寄生电容CO的存在：应尽可能较小寄生电容Co，使

达到80%以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGL127.4自举负载NMOS反相器

3.漏电与上拉自举电路中的漏电，会使自举电位VGL下降(尤其是低频)，最低可降到：VGL=VDD

VTB，因而ML变为饱和导通，输出VOH降低：VOH=VDD

VTB

VTL为了提高输出高电平，加入上拉元件MA(或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMA137.5E/DNMOS反相器

1.结构和工作原理ViVoVDDMDMEVOH=VDDKD[2(0-VTD)(VDD-VOH)-(VDD-VOH)

2]

=0Vi为VOL时，ME截止，MD非饱和MD

为耗尽型器件，VTD<0，ME

为增强型器件，VTE>0，147.5E/DNMOS反相器

1.结构和工作原理（续）ViVoVDDMDMEKE[2(VOH-VTE)VOL-VOL2]

KD(0-VTD)2=VOL

VTD

22R(VOH

VTE)其中：

R=KEKD=(W/L)E(W/L)L有比电路（近似于无比电路）Vi为VOH时，ME非饱和，MD饱和157.5E/DNMOS反相器

2.单元特点(1)VOH比可达到电源电压VDD(2)VOL与

R有关，但是VTD是关键的因素，近似于无比电路，面积小。(3)上升过程由于负载管由饱和逐渐进入非饱和，tr缩短，速度快。ViVoVDDMDME167.6CMOS反相器

1.结构和工作原理ViVoVDDMPMNVi为VOL时，MN截止，MP非饱和-Kp[2(VOL-VDD-VTP)(VOH-VDD)–(VOH-VDD)2]=0VOH=VDDVi为VOH时，MN非饱和，MP截止Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2]=0VOL=0

无比电路MP

为PMOS,VTP<0,MN

为NMOS,VTN>0177.6CMOS反相器

2.电压传输特性及器件工作状态表ViVoVDDMPMN截止非饱和VDD+VTP<Vi

VDD饱和非饱和VO+VTN<Vi

VDD+VTP饱和饱和VO+VTP

Vi

VO+VTN非饱和饱和VTN

Vi<VO+VTP非饱和截止0

Vi<VTNP管N管输入电压范围0VOViVDDVDDVDD+VTPVTN187.6CMOS反相器

3.噪声容限

0VOViVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVOLmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax(1)指定噪声容限VNMmax=min{VNMHmax,

VNMLmax

}197.6CMOS反相器

3.噪声容限（续）

(2)最大噪声容限VNMH=VOH-V*=VDD-V*VNML=V*-VOL=V*Vi

=VDD+VTP

+VTN

o1

+

o当V*为Vdd/2时，噪声容限为最大（Vdd/2）其中：o=KNKP=

N(W/L)N

P(W/L)PV*将随着

o的变化而向相反方向变化NMOS和PMOS都饱和时有:记作V*V*VDD0VOViVDD

o增大207.6CMOS反相器

4.瞬态特性

VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD

CL为负载电容，带负载门数越多，连线越长，CL越大，延迟越大。217.6CMOS反相器

4.瞬态特性（续1）

(1)上升时间ViVoVDDMPMNCL0VotVDD90%10%tr2VDD

KP(VDD|VTP|)CL|VTP|

0.1VDDVDD

|VTP|

+1ln

(19VDD

20|VTP|

)=KP越大

tr越小tr

=

tr1+tr2

227.6CMOS反相器

4.瞬态特性（续2）

(2)下降时间ViVoVDDMPMNCL2VDD

KN(VDD

VTN)CLVTN0.1VDDVDD

VTN+1ln

(19VDD

20VTN)=KN越大

tf越小0VotVDD90%10%tftf

=

tf1+tf2237.6CMOS反相器

4.瞬态特性（续3）

(3)平均对延迟时间

tpd

=(tpHL

+tpLH

)/20VitVDD50%0Vot50%tpHLVDDtpLHViVoVDDMPMN247.6CMOS反相器

5.功耗特性ViVoVDDMPMN(1)静态功耗PS

理想情况下静态电流为0，实际存在漏电流（表面漏电，PN结漏电），有漏电功耗：

PS

=Ios

VDD

CMOS电路功耗由三部分组成：静态功耗、瞬态功耗和节点电容充放电功耗。

设计时应尽量减小PN结面积

25反相器直流传输特性267.6CMOS反相器

5.功耗特性（续1）

(2)瞬态功耗Pt

ViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt

Pt

21(tr+tf)

ITmax

VDD

c

由于节点都存在寄生电容，因而状态转换时输入波形有一定的斜率，使NMOS和PMOS都处于导通态，存在瞬态电流，产生功耗：

设计时应尽量减小tr和tf277.6CMOS反相器

5.功耗特性（续2）

(3)电容充放电功耗Pc

在状态转换过程中，结点电位的上升和下降，都伴随着结点电容的充放电过程，产生功耗：设计时应尽量减小节点寄生电容Pc=CL

VDD2ViVoVDDMPMNCL287.6CMOS反相器

7.最佳设计

ViVoVDDMPMN(1)最小面积方案

芯片面积A=(Wn

Ln+Wp

Lp)

按工艺设计规则设计最小尺寸

Lp

=