42反相器瞬態(tài)特性課件

第四章CMOS單元電路4.2反相器瞬態(tài)特性第四章CMOS單元電路4.2反相器瞬態(tài)特性1CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性4.2CMOS反相器的瞬態(tài)特性4.3CMOS反相器的設(shè)計(jì)2CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性2直流特性和瞬態(tài)特性直流特性有助于我們理解反相器中器件的工作狀態(tài)和電路的噪聲特性瞬態(tài)特性，即輸入信號隨著時(shí)間變化過程中，輸出信號的變化情況瞬態(tài)特性決定著電路的速度3直流特性和瞬態(tài)特性直流特性有助于我們理解反相器中器件的工作狀1、上升時(shí)間和下降時(shí)間(1)出現(xiàn)上升/下降的原因:Vin跳變(由0到1，或相反)，

Vout不會立刻反相(2)Vout不會立刻反相的原因？(3)上升時(shí)間rise-time/下降時(shí)間fall-time(tr/tf)的定義上升時(shí)間:輸出從邏輯擺幅的10%10％變化到90%下降時(shí)間:輸出從邏輯擺幅的90%90％變化到10%VDDVVinout41、上升時(shí)間和下降時(shí)間(1)出現(xiàn)上升/下降的原因:上升時(shí)間分析上升時(shí)間的等效電路Vout=VDDVin=0VDD(1)物理思想：通過PMOS對Vout節(jié)點(diǎn)的電容充電(2)IDP是隨輸出變化的

Vout<=|VTP|,PMOS在飽和區(qū)，

Vout>|VTP|,PMOS在線性區(qū)5分析上升時(shí)間的等效電路Vout=VDDVin=0VDD(1推導(dǎo)上升時(shí)間PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上升時(shí)間6推導(dǎo)上升時(shí)間PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上上升過程充電電流的變化Issue：公式適用范圍7上升過程充電電流的變化Issue：7分析下降時(shí)間的等效電路(1)與上升電路類似的分析：通過NMOS對Vout節(jié)點(diǎn)的

電容放電(2)IDN的計(jì)算

Vout>VDD-VTNNMOS飽和；

Vout<VDD-VTNNMOS線性8分析下降時(shí)間的等效電路(1)與上升電路類似的分析：82、反相器的傳輸延遲時(shí)間電路的工作速度取決于傳輸延遲時(shí)間輸入信號變化50％到輸出信號變化50％的時(shí)間根據(jù)輸出信號情況，分為上升延遲和下降延遲時(shí)間92、反相器的傳輸延遲時(shí)間電路的工作速度取決于傳輸延遲時(shí)間9階躍輸入:上升延遲PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上升延遲時(shí)間10階躍輸入:上升延遲PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分傳輸延遲時(shí)間：階躍輸入輸入信號變化到輸出信號變化50％的時(shí)間取：11傳輸延遲時(shí)間：階躍輸入輸入信號變化到輸出信號變化50％的時(shí)間反相器的速度用平均延遲時(shí)間表示一般情況下的速度12反相器的速度用平均延遲時(shí)間表示一般情況下的速度12傳輸延遲：非階躍輸入近似利用電流傳送電荷的時(shí)間電壓變化VDD/2電流取飽和電流的一半精確的結(jié)果可以利用SPICE仿真13傳輸延遲：非階躍輸入近似利用電流傳送電荷的時(shí)間13延遲時(shí)間：影響因素上升和下降時(shí)間同電路充放電的電流和電容有關(guān)因此，同器件的閾值電壓，導(dǎo)電因子和電路的電源電壓和負(fù)載電容有關(guān)14延遲時(shí)間：影響因素上升和下降時(shí)間同電路充放電的電流和電容有關(guān)CMOS反相器的負(fù)載電容15CMOS反相器的負(fù)載電容15提高反相器的速度增加器件的寬長比會同時(shí)增加導(dǎo)電因子和器件的柵電容和漏區(qū)電容對于固定的大負(fù)載電容可以通過增加器件尺寸提高速度對于小負(fù)載，反相器速度不會隨著尺寸出現(xiàn)明顯增加16提高反相器的速度增加器件的寬長比會同時(shí)增加導(dǎo)電因子和器件的柵瞬態(tài)響應(yīng)：仿真波形tpLHtpHL17瞬態(tài)響應(yīng)：仿真波形tpLHtpHL17電路的最高工作頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”18電路的最高工作頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”環(huán)形振蕩器的頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”19環(huán)形振蕩器的頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性4.2CMOS反相器的瞬態(tài)特性NMOS反相器20CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性20CMOS和NMOS反相器結(jié)構(gòu)比較

2個(gè)可控開關(guān)開關(guān)+常導(dǎo)通負(fù)載21CMOS和NMOS反相器結(jié)構(gòu)比較211、飽和負(fù)載NMOS反相器

負(fù)載特性2個(gè)增強(qiáng)型NMOS組成,M1是可控開關(guān),驅(qū)動管,負(fù)載管M2總是在飽和區(qū)221、飽和負(fù)載NMOS反相器負(fù)載特性22飽和負(fù)載反相器的直流電壓傳輸特性2.M1截止，M2飽和ID1=ID2=0,Vout=VOH=VDD-VT

1.M1飽和，M2飽和3.M1線性，M2飽和要求Kr>>1，有比電路輸出低電平時(shí)有直流電流閾值損失23飽和負(fù)載反相器的直流電壓傳輸特性2.M1截止，M2飽和ID飽和負(fù)載反相器的上升時(shí)間上升過程歸一化24飽和負(fù)載反相器的上升時(shí)間上升過程歸一化24飽和負(fù)載反相器的下降時(shí)間下降過程忽略M2的電流歸一化25飽和負(fù)載反相器的下降時(shí)間下降過程忽略M2的電流歸一化252、電阻負(fù)載NMOS反相器

負(fù)載特性一個(gè)多晶硅電阻做負(fù)載262、電阻負(fù)載NMOS反相器負(fù)載特性26電阻負(fù)載反相器的VTC2.M1截止ID1=IR=0,Vout=VOH=VDD

1.M1飽和3.M1線性27電阻負(fù)載反相器的VTC2.M1截止ID1=IR=0,V電阻負(fù)載反相器的瞬態(tài)特性上升過程下降過程,忽略負(fù)載電流與CMOS反相器相同28電阻負(fù)載反相器的瞬態(tài)特性上升過程下降過程,忽略負(fù)載電流與CMOS和NMOS反相器直流特性比較

飽和負(fù)載耗盡型負(fù)載電阻負(fù)載CMOSVOHVDD-VTVDDVDDVDDVOL

KrK1/K2KE/KDVDDRLK1KN/KPKr=5VOL=0.530.10.630Ion29CMOS和NMOS反相器直流特性比較飽和直流電壓傳輸特性比較30直流電壓傳輸特性比較30CMOS和NMOS反相器瞬態(tài)特性比較上升,下降時(shí)間比較

參數(shù)

飽和負(fù)載

耗盡負(fù)載

電阻負(fù)載CMOStr8.9τr

0.9τr

2.2τr1.8τrtf1.5τf1.8τf1.8τf1.8τftr/tf4.5Kr3.1Kr1.2Kr1注意：不同電路的τr

和τf

是不同的31CMOS和NMOS反相器瞬態(tài)特性比較上升,下降時(shí)間比較參數(shù)CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)無比電路,具有最大的邏輯擺幅在低電平狀態(tài)不存在直流導(dǎo)通電流靜態(tài)功耗低直流噪聲容限大采用對稱設(shè)計(jì)獲得最佳性能32CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)無比電路,具有最大的邏輯擺幅32第四章CMOS單元電路4.2反相器瞬態(tài)特性第四章CMOS單元電路4.2反相器瞬態(tài)特性33CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性4.2CMOS反相器的瞬態(tài)特性4.3CMOS反相器的設(shè)計(jì)34CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性2直流特性和瞬態(tài)特性直流特性有助于我們理解反相器中器件的工作狀態(tài)和電路的噪聲特性瞬態(tài)特性，即輸入信號隨著時(shí)間變化過程中，輸出信號的變化情況瞬態(tài)特性決定著電路的速度35直流特性和瞬態(tài)特性直流特性有助于我們理解反相器中器件的工作狀1、上升時(shí)間和下降時(shí)間(1)出現(xiàn)上升/下降的原因:Vin跳變(由0到1，或相反)，

Vout不會立刻反相(2)Vout不會立刻反相的原因？(3)上升時(shí)間rise-time/下降時(shí)間fall-time(tr/tf)的定義上升時(shí)間:輸出從邏輯擺幅的10%10％變化到90%下降時(shí)間:輸出從邏輯擺幅的90%90％變化到10%VDDVVinout361、上升時(shí)間和下降時(shí)間(1)出現(xiàn)上升/下降的原因:上升時(shí)間分析上升時(shí)間的等效電路Vout=VDDVin=0VDD(1)物理思想：通過PMOS對Vout節(jié)點(diǎn)的電容充電(2)IDP是隨輸出變化的

Vout<=|VTP|,PMOS在飽和區(qū)，

Vout>|VTP|,PMOS在線性區(qū)37分析上升時(shí)間的等效電路Vout=VDDVin=0VDD(1推導(dǎo)上升時(shí)間PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上升時(shí)間38推導(dǎo)上升時(shí)間PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上上升過程充電電流的變化Issue：公式適用范圍39上升過程充電電流的變化Issue：7分析下降時(shí)間的等效電路(1)與上升電路類似的分析：通過NMOS對Vout節(jié)點(diǎn)的

電容放電(2)IDN的計(jì)算

Vout>VDD-VTNNMOS飽和；

Vout<VDD-VTNNMOS線性40分析下降時(shí)間的等效電路(1)與上升電路類似的分析：82、反相器的傳輸延遲時(shí)間電路的工作速度取決于傳輸延遲時(shí)間輸入信號變化50％到輸出信號變化50％的時(shí)間根據(jù)輸出信號情況，分為上升延遲和下降延遲時(shí)間412、反相器的傳輸延遲時(shí)間電路的工作速度取決于傳輸延遲時(shí)間9階躍輸入:上升延遲PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分求解上升延遲時(shí)間42階躍輸入:上升延遲PMOS飽和歸一化積分求解PMOS線性積分傳輸延遲時(shí)間：階躍輸入輸入信號變化到輸出信號變化50％的時(shí)間取：43傳輸延遲時(shí)間：階躍輸入輸入信號變化到輸出信號變化50％的時(shí)間反相器的速度用平均延遲時(shí)間表示一般情況下的速度44反相器的速度用平均延遲時(shí)間表示一般情況下的速度12傳輸延遲：非階躍輸入近似利用電流傳送電荷的時(shí)間電壓變化VDD/2電流取飽和電流的一半精確的結(jié)果可以利用SPICE仿真45傳輸延遲：非階躍輸入近似利用電流傳送電荷的時(shí)間13延遲時(shí)間：影響因素上升和下降時(shí)間同電路充放電的電流和電容有關(guān)因此，同器件的閾值電壓，導(dǎo)電因子和電路的電源電壓和負(fù)載電容有關(guān)46延遲時(shí)間：影響因素上升和下降時(shí)間同電路充放電的電流和電容有關(guān)CMOS反相器的負(fù)載電容47CMOS反相器的負(fù)載電容15提高反相器的速度增加器件的寬長比會同時(shí)增加導(dǎo)電因子和器件的柵電容和漏區(qū)電容對于固定的大負(fù)載電容可以通過增加器件尺寸提高速度對于小負(fù)載，反相器速度不會隨著尺寸出現(xiàn)明顯增加48提高反相器的速度增加器件的寬長比會同時(shí)增加導(dǎo)電因子和器件的柵瞬態(tài)響應(yīng)：仿真波形tpLHtpHL49瞬態(tài)響應(yīng)：仿真波形tpLHtpHL17電路的最高工作頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”50電路的最高工作頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”環(huán)形振蕩器的頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”51環(huán)形振蕩器的頻率“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性4.2CMOS反相器的瞬態(tài)特性NMOS反相器52CMOS反相器4.1CMOS反相器的直流特性20CMOS和NMOS反相器結(jié)構(gòu)比較

2個(gè)可控開關(guān)開關(guān)+常導(dǎo)通負(fù)載53CMOS和NMOS反相器結(jié)構(gòu)比較211、飽和負(fù)載NMOS反相器

負(fù)載特性2個(gè)增強(qiáng)型NMOS組成,M1是可控開關(guān),驅(qū)動管,負(fù)載管M2總是在飽和區(qū)541、飽和負(fù)載NMOS反相器負(fù)載特性22飽和負(fù)載反相器的直流電壓傳輸特性2.M1截止，M2飽和ID1=ID2=0,Vout=VOH=VDD-VT

1.M1飽和，M2飽和3.M1線性，M2飽和要求Kr>>1，有比電路輸出低電平時(shí)有直流電流閾值損失55飽和負(fù)載反相器的直流電壓傳輸特性2.M1截止，M2飽和ID飽和負(fù)載反相器的上升時(shí)間上升過程歸一化56飽和負(fù)載反相器的上升時(shí)間上升過程歸一化24飽和負(fù)載反相器的下降時(shí)間下降過程忽略M2的電流歸一化57飽和負(fù)載反相器的下降時(shí)間下降過程忽略M2的電流歸一化252、電阻負(fù)載NMOS反相器

負(fù)載特性一個(gè)多晶硅電阻做負(fù)載582、電阻負(fù)載NMOS反相器負(fù)載特性26電阻負(fù)載反相器的VTC2.M1截止ID1=IR=0,Vout=VOH=VDD

1.M1飽和3.M1線性59電阻負(fù)載反相器的VTC2.M1截止ID1=IR=0,V電阻負(fù)載反相器的瞬態(tài)特性上升過程下降過程,忽略負(fù)載電流與CMOS反相器相同60電阻負(fù)載反相器的瞬態(tài)特性上升過程下降過程,忽略負(fù)載電流與CMOS和NMOS反相器直流特性比較

飽和負(fù)載耗盡型負(fù)載電阻負(fù)載CMOSVOHVDD-VTVDD