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基本邏輯門電路分析的重要基礎(chǔ)

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

K=K’(WL)K’=

Cox2Cox=

ox

otox

VTVBS2qsi

oNBCox

=IDS=NMOS:截止飽和非飽和NMOSPMOS增強型耗盡型四端器件襯底偏置效應(yīng)：溝道長度調(diào)制效應(yīng)(短溝效應(yīng)):

=L1

Xd

VDS27.1電阻負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理VOH=VDD(VDD–VOH)/RL=0Vi為低電平VOL時，MI截止Vi為高電平VOH時，MI非飽和(VDD–VOL)

/RL

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

VOL

VDD1+2KIRL(VOH

VTI)其中:KI=WL()

ox

o2tox37.1電阻負載NMOS反相器

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

VOL

VDD1+2KIRL(VOH

VTI)0VitVDD0VotVDD47.2E/E飽和負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMLMIVOH=VDD

VTLKL(VDD-VOH-VTL)2=0Vi為低電平VOL時,MI截止,ML飽和Vi為高電平VOH時,MI非飽和,ML飽和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)有比電路57.2E/E飽和負載NMOS反相器

2.單元特點ViVoVDDMLMIVoVi

R減小(KI/

KL)(1)VOH比電源電壓VDD低一個閾值電壓Vt（有襯底偏置效應(yīng)）；(3)ML和MI的寬長比分別影響tr和tf。(4)上升過程由于負載管逐漸接近截止，tr較大。(2)VOL與

R有關(guān)，為有比電路；0Vot67.3E/E非飽和負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMLMIVGG

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

2]

=0VGG

>VDD

+VTL

Vi為VOL時，MI截止，ML非飽和77.3E/E非飽和負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理(續(xù))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為VOH時，MI非飽和，ML非飽和87.3E/E非飽和負載NMOS反相器

2.單元特點ViVoVDDMLMIVGGVoVi(KI/KL)

R增大(1)雙電源(2)VOH=VDD

(3)VOL與

R有關(guān)，為有比電路；(4)VGG越高，tr越小，但是VOL越大、功耗越大。97.4自舉負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和自舉原理初始狀態(tài)：

VI=VOH，Vo=VOLMB、ML飽和、MI非飽和VOL

(VDD

VTB

VTL)22

R(VOH

VTI)其中：

R=KIKL=(W/L)I(W/L)L有比電路ViVoVDDMBMIMLCBVGLVGL=VDD

VTB107.4自舉負載NMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和自舉原理(續(xù))自舉過程：

Vi

變?yōu)閂OL,MI截止,Vo上升，

VGL隨Vo上升(電容自舉)，

MB截止,ML逐漸由飽和進入非飽和導通，上升速度加快。自舉結(jié)果：

tr縮短，VOH可達到VDD。ViVoVDDMBMIMLCBVGL117.4自舉負載NMOS反相器

2.寄生電容與自舉率

VGLCO

=

VGSLCB

VGL=

VGSL+

Vo

VGL

=

Vo=1+Co/CB1自舉率定義：CO由于寄生電容CO的存在：應(yīng)盡可能較小寄生電容Co，使

達到80%以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGL127.4自舉負載NMOS反相器

3.漏電與上拉自舉電路中的漏電，會使自舉電位VGL下降(尤其是低頻)，最低可降到：VGL=VDD

VTB，因而ML變?yōu)轱柡蛯?，輸出VOH降低：VOH=VDD

VTB

VTL為了提高輸出高電平，加入上拉元件MA(或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMA137.5E/DNMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMDMEVOH=VDDKD[2(0-VTD)(VDD-VOH)-(VDD-VOH)

2]

=0Vi為VOL時，ME截止，MD非飽和MD

為耗盡型器件，VTD<0，ME

為增強型器件，VTE>0，147.5E/DNMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理（續(xù)）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有比電路（近似于無比電路）Vi為VOH時，ME非飽和，MD飽和157.5E/DNMOS反相器

2.單元特點(1)VOH比可達到電源電壓VDD(2)VOL與

R有關(guān)，但是VTD是關(guān)鍵的因素，近似于無比電路，面積小。(3)上升過程由于負載管由飽和逐漸進入非飽和，tr縮短，速度快。ViVoVDDMDME167.6CMOS反相器

1.結(jié)構(gòu)和工作原理ViVoVDDMPMNVi為VOL時，MN截止，MP非飽和-Kp[2(VOL-VDD-VTP)(VOH-VDD)–(VOH-VDD)2]=0VOH=VDDVi為VOH時，MN非飽和，MP截止Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2]=0VOL=0

無比電路MP

為PMOS,VTP<0,MN

為NMOS,VTN>0177.6CMOS反相器

2.電壓傳輸特性及器件工作狀態(tài)表ViVoVDDMPMN截止非飽和VDD+VTP<Vi

VDD飽和非飽和VO+VTN<Vi

VDD+VTP飽和飽和VO+VTP

Vi

VO+VTN非飽和飽和VTN

Vi<VO+VTP非飽和截止0

Vi<VTNP管N管輸入電壓范圍0VOViVDDVDDVDD+VTPVTN187.6CMOS反相器

3.噪聲容限

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

VNMLmax

}197.6CMOS反相器

3.噪聲容限（續(xù)）

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

=VDD+VTP

+VTN

o1

+

o當V*為Vdd/2時，噪聲容限為最大（Vdd/2）其中：o=KNKP=

N(W/L)N

P(W/L)PV*將隨著

o的變化而向相反方向變化NMOS和PMOS都飽和時有:記作V*V*VDD0VOViVDD

o增大207.6CMOS反相器

4.瞬態(tài)特性

VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD

CL為負載電容，帶負載門數(shù)越多，連線越長，CL越大，延遲越大。217.6CMOS反相器

4.瞬態(tài)特性（續(xù)1）

(1)上升時間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.瞬態(tài)特性（續(xù)2）

(2)下降時間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.瞬態(tài)特性（續(xù)3）

(3)平均對延遲時間

tpd

=(tpHL

+tpLH

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

5.功耗特性ViVoVDDMPMN(1)靜態(tài)功耗PS

理想情況下靜態(tài)電流為0，實際存在漏電流（表面漏電，PN結(jié)漏電），有漏電功耗：

PS

=Ios

VDD

CMOS電路功耗由三部分組成：靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗和節(jié)點電容充放電功耗。

設(shè)計時應(yīng)盡量減小PN結(jié)面積

25反相器直流傳輸特性267.6CMOS反相器

5.功耗特性（續(xù)1）

(2)瞬態(tài)功耗Pt

ViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt

Pt

21(tr+tf)

ITmax

VDD

c

由于節(jié)點都存在寄生電容，因而狀態(tài)轉(zhuǎn)換時輸入波形有一定的斜率，使NMOS和PMOS都處于導通態(tài)，存在瞬態(tài)電流，產(chǎn)生功耗：

設(shè)計時應(yīng)盡量減小tr和tf277.6CMOS反相器

5.功耗特性（續(xù)2）

(3)電容充放電功耗Pc

在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，結(jié)點電位的上升和下降，都伴隨著結(jié)點電容的充放電過程，產(chǎn)生功耗：設(shè)計時應(yīng)盡量減小節(jié)點寄生電容Pc=CL

VDD2ViVoVDDMPMNCL287.6CMOS反相器

7.最佳設(shè)計

ViVoVDDMPMN(1)最小面積方案

芯片面積A=(Wn

Ln+Wp

Lp)

按工藝設(shè)計規(guī)則設(shè)計最小尺寸

Lp

=