4.1反相器直流特性.ppt

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1、第四章 CMOS单元电路4.1 反相器直流特性2CMOS反相器反相器n4.1 CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性n4.2 CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性n4.3 CMOS反相器的设计反相器的设计3CMOS Inverter特点：特点：VinVin作为作为PMOSPMOS和和NMOSNMOS的共栅极；的共栅极；VoutVout作为共漏极；作为共漏极；V VDDDD作为作为PMOSPMOS的源极和体端；的源极和体端；GNDGND作为作为NMOSNMOS的源极的源极和体端和体端VVinout反相器的逻辑符号反相器的逻辑符号4Two InvertersConnect in MetalS

2、hare power and groundAbut cells标准单元形式的门电路的版图设计通过等高的设计共享电源和地线通过邻接的设计减小面积5CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性Vin=0，NMOS截止截止，PMOS导通导通，稳态稳态Vout=VDD,“1”；Vin=VDD，NMOS导通导通，PMOS截止截止,稳态稳态Vout=0；Vin=VDDVDDVout=0Vout=VDDVin=0VDD 反相器的工作特点：反相器的工作特点：Vout=Vin；稳态单管导通，没有直通电流稳态单管导通，没有直通电流6反相器中反相器中MOSFET的工作区域的工作区域VDDVVinoutN-O N-L N

3、-S P-O P-L P-S NMOS OffNMOS LinearNMOS SaturationPMOS OffPMOS LinearPMOS Saturation缩写对照：缩写对照：N-SP-ON-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SVout+VTP=VinVout+VTN=Vin7分析直流特性的出发点：分析直流特性的出发点：直流条件下没有输出电流直流条件下没有输出电流满足满足：IDN=IDPVoltage Transfer Characteristic(VTC)N-OP-LN-SP-LN-SP-SN-LP-SN-LP-ON-OP-SN-SP-OVDDVVi

4、nout81、反相器的、反相器的VTC1、特点：特点：N-O&P-L2、特点：特点：N-S&P-L 比例因子比例因子VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=Vin9反相器反相器VTC3、特点：特点：N-S&P-S 反相器的逻辑阈值电平（逻辑转折点）反相器的逻辑阈值电平（逻辑转折点）Vout+VTP=VinVout+VTN=Vin10反相器反相器VTC4、特点：特点：N-L&P-S5、特点：特点：N-L&P-O CMOS反相器实现全摆幅反相器实现全摆幅Vout+VTP=VinVout+VTN=Vin11器件参数对器件参数对VTC的影响的影响反相器比例因子对直流反相器比例因子

5、对直流特性的影响：特性的影响：在在VTN=-VTP前提下进行前提下进行考虑，考虑，以便简化问题；以便简化问题；VDDVVinout12器件参数对器件参数对VTC的影响的影响NMOS、PMOS阈值阈值电压的影响；电压的影响；在在Kr=1前提下进行考前提下进行考虑，以便简化问题虑，以便简化问题VDDVVinout133区的高度为两个阈值之和区的高度为两个阈值之和Voltage Transfer Characteristic(VTC)VDDVVinoutVout+VTP=VinVout+VTN=Vin14实际实际CMOS反相器的反相器的VTC对应对应Vit的输入的输入,输出不是一条垂直线输出不是一条

6、垂直线VDDVVinout15直流转移特性直流转移特性分段讨论分段讨论Inverter的导通电流的导通电流 1.Vin=VTNIon=IDN=IDP=0，2.VTNVinVout-|VTP|Ion=IDN=IDP UP 3.Vin=VitIon=Ipeak at Vin=Vit 4.Vout+VTNVinVDD-|VTP|Ion=IDN=IDP DOWN 5.VDD-|VTP|VinVDDIon=IDN=IDP=0，162、反相器的直流噪声容限n数字电路中信号在Vdd和Gnd之间转换，各种干扰信号，可能使得电路中某些结点的信号电平偏离理想电平（Vdd，Gnd），产生所谓的噪声n噪声会对电路的可

7、靠性造成影响i(t)Inductive coupling Capacitive couplingPower and ground noisev(t)VDD17反相器噪声容限反相器噪声容限(Noise Margins)噪声容限定义噪声容限定义1：极限输出：极限输出 给定给定VOHmin和和VOLmax VOHmin Voff(关门电平关门电平)VOLmax Von(开门电平开门电平)VNL=Voff,VNH=VDD-Von电路的直流噪声容限电路的直流噪声容限允许的输入电平变化范围，允许的输入电平变化范围，反映了电路的抗干扰能力反映了电路的抗干扰能力18反相器的直流噪声容限反相器的直流噪声容限噪声

8、容限定义噪声容限定义2：单位增益点：单位增益点 在在2、4区存在区存在|dVout/dVin|=1的的 单位单位增益点增益点 在在2、4区求得增益点对应区求得增益点对应的的Vin (分别为分别为Vc1和和Vc2)，VNL=Vc1 VNH=VDD-Vc219噪声容限定义噪声容限定义3：逻辑阈值点：逻辑阈值点 把把Vit做为允许的输入高电平和做为允许的输入高电平和 低电平极限低电平极限 VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit VNLM与与VNHM中较小的中较小的 决定最大直流噪声容限决定最大直流噪声容限反相器的直流噪声容限反相器的直流噪声容限20数字电路具有可恢复逻辑特性数字电路具有可恢复逻辑特性可恢复逻辑特性可恢复逻辑特性不可恢复逻辑特性不可恢复逻辑特性