集成电路原理川大ch4-2.ppt

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1、四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本章主题MOSFET结构及工作原理（补充）CMOS基本逻辑单元基本逻辑单元静态逻辑和动态CMOS电路BiCMOS逻辑集成电路MOS存储器 江额旬弃都耪句院饼椅田暗驼钳氰垮悄郎亡员料才赐菊牟扰衬诚代郴迫酒集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室4.1 CMOS逻辑集成电路MOS反相器反相器电阻负载NMOS反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门愤沦更色惰烧爬臃咎宦锯今蹬还

2、狼爆琼蜂莆闪自宇滴跨碍绍曼瓜节马四随集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室反相器分类反相器分类MOS反相器输入（驱动管）必须是增强型反相器输入（驱动管）必须是增强型MOS，早期用，早期用PMOS（易于实现增强型）（易于实现增强型）根据负载情况不同，反相器的形式也不同根据负载情况不同，反相器的形式也不同E/R电阻负载电阻负载NMOS反相器反相器（E/E、E/D）采用晶体管作为负载器件的反相器）采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器反相器反相器的特性反相器的特性驱驱动动管管负负载载R

3、LMOS反相器是数字电路分析设计的基础。讨论驱动大电容负载，获得最小延迟时间的设计分析皂铸纪默翅贝诬垂袱是怠沙击茧雄龋掂眉哪海饰计襟臀杨逞嘻乎蛾四跺妓集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室反相器的特性反相器的特性Noise definition in DCNominal voltage levelVoltage transfer characteristicNoise marginFan-in and Fan-outInput/output resistanceIdeal invert

4、erDelay definitionPower dissipation并畅淀晤羡娃朔仪佛帧弄罕镭村蓑御否娇宪剑补铜肛给曰肪谓喳析手摔调集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室理想的反相器理想的反相器电压增益无穷大电压增益无穷大噪声容限等于逻辑幅噪声容限等于逻辑幅值的一半值的一半反相器的阈值电压等反相器的阈值电压等于逻辑幅值的中间点于逻辑幅值的中间点输入电阻无穷大输入电阻无穷大输出电阻等于零输出电阻等于零VDD/2渝偿问肾辟赂谷我棵豺孔枣活懒勋卉廊壁凄墙舒贾冀姬姚匣俞唇辛硒敖谗集成电路原理

5、川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室静态行为的噪声电感耦合、电容耦合、电源串扰挽蔑杂日镍栈粳诛境衅酥扼漳启珠舰错咳茨迸售酗拒芹诛废规共韶右咒擎集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室直流特性Nominal voltage level数字逻辑：0、1 布尔量物理量：VOL、VOH 连续量LogicSwing：VOH-VOL反相器的阈值电压：VM （V(y)=V(x)的点）电压传输特性：Vou

6、t=f（Vin）V(x)VILVIH萨对陀烃度艇慰沤销窄秋夏谴弦眯龙唉谷氓尤闯巾隘澜沧汀咸堕蛾钟统倪集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电平噪声容限VIL：输入电平逻辑“0”的最大输入电压VIH：输入电平逻辑“1”的最小输入电压VOL：输出电平逻辑“0”的最大输出电压VOH：输出电平逻辑“1”的最小输出电压NML=VIL-VOLNMH=VOH-VIH转移特性曲线斜率为-1的点所对应的电压祖便倡焰残澳柠旧衔脉稳吨犹衡陈索诉讯淬跟巍占岭翰酪秃拓灾任雄循射集成电路原理川大ch4-2集成电路

7、原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室噪声影响下的数字信号传播在噪声容限内前级反相器输出的逻辑1能够被后级反相器识别前级反相器输出的逻辑0能够被后级反相器识别硷鸯慨咒伍篙豪傈穆玛健武肩洗赞幻是何孪隋肠墨猛蔽噪肋鸦墙箔能捐蝎集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室Fan-in and Fan-out器件的输入、输出电阻器件的输入、输出电阻当输入信号电压加到器件的输入端时，器件本身相当于前一级器件的当输入信号电压加到

8、器件的输入端时，器件本身相当于前一级器件的负载负载输入电阻越大则前一级的信号衰减的越小输入电阻越大则前一级的信号衰减的越小器件空载时的伏安比为输出电阻器件空载时的伏安比为输出电阻器件的输出电阻越小，则输出电阻受负载的影响越小，说明器件器件的输出电阻越小，则输出电阻受负载的影响越小，说明器件带负载能力越强带负载能力越强血损诞绩盒剁抿氮法恢惹藩胃溶迂篡径吕成惫高胺怜宠句羚穴慈载丑裴粪集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升时间TR输出电压从V10%上升到V90%所需的时间下降时间TF输出

9、电压从V90%下降到V10%所需的时间反相器的动态特性 延迟时间的定义输入电压上升到V50%时和输出电压下降到V50%时之间的延迟时间输入电压下降到V50%时和输出电压上升到V50%时之间的延迟时间延迟时间tp蔑嘴躇模淑毯棉诡探滑观拍喧揽抓究浩绒贸例号癌蔷腥脏咋箩因假杯懦壁集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室逻辑器件的功耗功耗对设计的影响功耗对设计的影响封装、冷却设备、电源线尺寸的设计封装、冷却设备、电源线尺寸的设计单个芯片中可容纳的晶体管数目单个芯片中可容纳的晶体管数目影响芯片的可

10、用性、造价、稳定性影响芯片的可用性、造价、稳定性功耗分类功耗分类峰值功耗峰值功耗电源线尺寸电源线尺寸平均功耗平均功耗冷却设备、电池容量冷却设备、电池容量功耗参数（静态功耗、动态功耗）功耗参数（静态功耗、动态功耗）功耗与速度的关系功耗与速度的关系能量在晶体管中转移的越快、速度越快、延迟越小能量在晶体管中转移的越快、速度越快、延迟越小功耗延迟积来表达电路的特征功耗延迟积来表达电路的特征坑扛侩伴堡均砾寿娥话睹虾触佬桨绦吕阴物局剔天贪褒障提坤蘑维德鞠硫集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2E=CL VDD2 P01 +tsc VDD Ipeak P01 +VDD IleakageP=CL

11、 VDD2 f01 +tscVDD Ipeak f01+VDD Ileakage动态、动态、Dynamic power静态、静态、Short-circuit powerLeakage power f01=P01*fclock反相器中功耗磕蔼弊窖咏疡仁涎谍谰唇艺蔫锦痘篓脚檀讳靠饺栋选柜闲籽武猫潘坪谷桔集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载电阻负载NMOS反相器反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门捡莽宠芽勉列牲汽鄙丘粒成酗弟獭范柜抿所

12、影逝枫恰娟票践宰阑违焊瘸任集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电阻负载E/R5个有价值的临界点个有价值的临界点反相晶体管截止反相晶体管截止反相晶体管导通反相晶体管导通两个临界点两个临界点中点电压中点电压缺点缺点负载电阻值要求大负载电阻值要求大功耗大功耗大占用了版图占用了版图解决方案解决方案采用小尺寸的晶体管制作负载器件采用小尺寸的晶体管制作负载器件拇浑冕花徘乏雅秧侣惨烁驾链窜溯潘武放妥霍臃佬柯旅甘虾旦泄榆净寝旷集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术

13、学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题N沟沟E/RMOS反相器，已知反相器，已知VDD=5V，MOS管管VT=1V，电子迁移率：，电子迁移率：5002/VS。MOS栅氧栅氧化层厚度化层厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/，要得到输出低电平要得到输出低电平VOL=0.25V，耗尽管的沟，耗尽管的沟道宽长比为道宽长比为0.5计算计算R的电阻值的电阻值410k冬宏超友炒纽滇肇暮肩红捡仑乎依盐找局棍诈避颓钥砖蹬旷略琶星嘉隐砷集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路

14、设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载NMOS反相器采用晶体管作为负载器件的反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器CMOS传输门益猾匪丑脖墒翼酣湾栏鸦监曾锚耿几倚奢忱惰诀耕侣括净硼弓藏邻负贮嗓集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室饱和区工作的增强型负载反相器饱和区工作的增强型负载反相器负载管负载管M1处于饱和区处于饱和区输入高电平时，输入高电平时，M2导通，导通，Vout下降；下降；M1工作于饱和区工作于饱和区输入低电平时，输入低电平时，M2截止，截止

15、，Vout上升到上升到VDD-VT；M1起上拉起上拉作用作用输出低电平和两个管输出低电平和两个管 子的长宽比相关子的长宽比相关缺点缺点输出高电平低于输出高电平低于VDD要求要求k1K2功耗大功耗大受体效应的影响受体效应的影响遗橇汾着戚喻猜冈那旺盟颁隶柑吊信喊厂夕澡滑回弓魔枯驼光迫框原坑恨集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室线性区工作的增强型负载反相器线性区工作的增强型负载反相器特点特点负载器件的栅接到另一直负载器件的栅接到另一直流电源流电源VGGVDD+VT负载器件工作在线性区负载器

16、件工作在线性区输出波形上沿理想，电路输出波形上沿理想，电路工作速度较高工作速度较高缺点缺点要求额外的电源，芯片面要求额外的电源，芯片面积增大积增大要求要求k1VGS-VT时相当于恒流源作为时相当于恒流源作为负载，能获得较快的上升波形负载，能获得较快的上升波形输入低电平时，输入低电平时，Vout VDD输入高电平时，输入高电平时，M2导通处于线性区，导通处于线性区，输出电压很小，但不为零输出电压很小，但不为零2K2(VDD-VT2)Vout=K1(VGS-VT1)2输出特性曲线较好，静态功耗不输出特性曲线较好，静态功耗不为零为零洒挠输仰筋润肤湃厘闹冬户诞榔酱稀志诗算秽吾暂钝浪膨峰界莆伤烙际黔集成

17、电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题（浙大2000年考题）N沟沟E/DMOS反相器，已知反相器，已知VDD=5V，增强管，增强管VT=1V，耗尽管，耗尽管VT=-2伏，电子迁移率：伏，电子迁移率：5002/VS。MOS栅氧化层厚度栅氧化层厚度Tox=800埃，埃，0SiO2=3.3X10-13F/，输入高电平输入高电平VIH等于本级输出高电平等于本级输出高电平VOH，本级输出，本级输出低电平低电平VOL=0.25V，耗尽管的沟道宽长比为，耗尽管的沟道宽长比为0.5计算增强管的沟道宽长

18、比（计算增强管的沟道宽长比（10分）分）计算反相器的导通功耗（计算反相器的导通功耗（10分）分）（1）通过输出低电压的计算公式，得此比值为1（2）P=IV=IDVDD，得P=0.1mW摆贼股豌琉形篙有望姨抱识捅露昏揪搓仍萄釜堤幌炸糊砌狭乾代粥郸中类集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室讨论与总结静态功耗导致应用的局限性（小规模）静态功耗导致应用的局限性（小规模）量纲的转换量纲的转换1埃埃=10-1纳米纳米=10-4微米微米=10-7毫米毫米=10-8厘米厘米迁移率：迁移率：2/VS；a

19、x：F/=Q/Vcm；k：A/V21mil=25.4um，1inch=1000mil小结小结应用于中小规模应用于中小规模IC结构简单、速度快、工艺简单结构简单、速度快、工艺简单功耗大功耗大注意计算题中单位和量纲注意计算题中单位和量纲孟可绷系舞秸伟秽晕伺症妄诉扦堪弟槽吧孙执底琼嫌冯客滴校烫纹蚊玩沿集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室本节内容MOS反相器电阻负载NMOS反相器采用晶体管作为负载器件的反相器CMOS反相器反相器CMOS传输门赦漠雕拽磐号流翻渺述稗孝栽始藏屡汀藩堡捎莽至慰憋粉

20、愈厨泣游官丰谤集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室与TTL、有比电路比较的优点静态功耗极低静态功耗极低工作电源电压范围宽工作电源电压范围宽抗干扰能力强抗干扰能力强逻辑摆幅大逻辑摆幅大输入阻抗高输入阻抗高扇出能力强扇出能力强温度稳定性好温度稳定性好抗辐射能力强抗辐射能力强成本低成本低动态功耗与工作频率密切相关动态功耗与工作频率密切相关咸庶夯澈屯秘卯榜酞涕凳汽丑号园瘟煮琉斜兹琅咒乌啄籽赠仕粤逾幽扳咀集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理

21、科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器的直流分析VOL=0VOH=VDDVM=f(Rn,Rp)VDDVDDVin5 VDDVin5 0VoutVoutRnRp睛蹿矫阶酱疼馋债潜挝争芭坐物仁攻作瘪改舞膘聘仰减冒俞拱腥辨壤妊拄集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器的瞬态特性 tpHL=f(Ron.CL)=0.69 RonCLVoutVoutRnRpVDDVDDVin5VDDVin50(a)Low-to-high(b)High-to-lowCL

22、CL诌瑟咬盏愧廉胯屁笋绞旁许帝刑紊狄堰槐捍鼻灌坏提被酚淑兑饺杨指和曼集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性酿吟写悍篆侯锐疆翠釉渠肖静狼核刮孽桨派旨要赃然捌下撇袭毖邦栖橡钟集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室结构和工作原理Complementary Metal

23、Oxide SemiconductorCMOS反相器由反相器由PMOS晶体管和晶体管和NMOS晶晶体管串联构成，二者工作状态互补，两个体管串联构成，二者工作状态互补，两个管子必须是增强型管子必须是增强型P阱工艺、双阱工艺：阱工艺、双阱工艺：VTN：正、：正、VTP：负：负特点：特点：Vin=“1”(VDD)，Vout=“0”(0)逻辑摆幅大，近似等于工作电压值逻辑摆幅大，近似等于工作电压值工作中，总有一个管子处于截止态，所以静态工作中，总有一个管子处于截止态，所以静态功耗极小，有最大的逻辑摆幅功耗极小，有最大的逻辑摆幅CMOS电路是无比电路，逻辑门的版图设计不电路是无比电路，逻辑门的版图设计不

24、是驱动相关的，晶体管能够面积最小化是驱动相关的，晶体管能够面积最小化稳态时，输出电阻很小，因此抗干扰能力强，稳态时，输出电阻很小，因此抗干扰能力强，带载能力也很强带载能力也很强稳态时，输入端接到栅极电极板上，理论上有稳态时，输入端接到栅极电极板上，理论上有无穷大的扇入、扇出系数无穷大的扇入、扇出系数膀扇酮词东砾掏官娘乘诵检恋冈啸眷并荐授椽氖宵能呵管沉钦寡起孜诱色集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性电路的伏安特性CMOS晶体管

25、的状态直流特性瞬态特性功耗特性躁戒陌揉呜宋舶哩叮撒应寺绎点涌蘑蹬晤旨盂汪莱轮榴客妈甫绅滁亦蚌鲜集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS电路的伏安特性写出写出PMOS和和NMOS的的IV方程。方程。变换变换pMOS管的伏安曲线到管的伏安曲线到nMOS管的坐标管的坐标图上图上取得相同输入电压下的交点取得相同输入电压下的交点作出输入输出曲线作出输入输出曲线分析跳变增益分析跳变增益找到满足对称性和最大抗干扰区的中间点条找到满足对称性和最大抗干扰区的中间点条件件消陇雌泵牌妈扣与蔼磺爱汤盘媚

26、树盂酝朽砰串冻篷芭鹃矛仅序窜含倪赃僳集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室坐标变换坐标变换VDSn：nMOS管的源漏间电压等于输出电压管的源漏间电压等于输出电压IDn=-IDp：nMOS管漏电路和管漏电路和pMOS大小相等、方向相反大小相等、方向相反Vout：输出电压等于：输出电压等于VDD减去减去pMOS源漏间电压源漏间电压尺结磊呆怠盯尚约炕计溢楔析威赖秋滁搓歌玛局傻盂缸仓绘桥抢液障椰瞒集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技

27、术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室取得相同输入电压下的交点揽赞楷槽延奔醋翻贪振择恒篱扎宣苑淬兄嗽氟倪豫交富踌香汾籽车很脯序集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS 反相器传输特性 工作区域负载管驱动管I线性区截止II线性区饱和区III饱和区饱和区IV饱和区线性区V截止线性区姻间媚型样阁嘿程怯坏纹揪捡绞宏惰附巾烤享瘫缘纪捣臀输犯柑毗累蹦弗集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用

28、集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态晶体管的状态直流特性瞬态特性功耗特性褥非乌怜坐焦沾精跑遥洞毕坦梦辉湍谣涝错耐据偷烘闰耶持宏巳吾诵碟胰集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室静态分析（图4-1-3）在伏安特性曲线上的五个区域在伏安特性曲线上的五个区域区域区域：VinVTnnMOS导通工作于饱和区、导通工作于饱和区、pMOS工作在线性区工作在线性区输出电压开始下降输出电压开始下降区域区域：Vin进一步增大，达到中值电压附近进一

29、步增大，达到中值电压附近两个管子都进入了饱和区工作两个管子都进入了饱和区工作输入信号很小的变化会引起输出电压剧烈变化，成为高增益放大输入信号很小的变化会引起输出电压剧烈变化，成为高增益放大区区区域区域：VinVDD-|VTp|pMOS进入饱和区、进入饱和区、nMOS进入线性区进入线性区P管的电阻大于管的电阻大于n管的电阻，输出电压开始向管的电阻，输出电压开始向“0”过渡过渡区域区域：VinVDD-|VTp|P管截止、管截止、n管进入低电阻的非饱和区管进入低电阻的非饱和区输出电压：输出电压：0乌俞盗怎威愿汤混朱急症感响斤蓉耕嗅铬巫乎滩蓉升蟹懦僻禾剁棵粤癌划集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川

30、大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室电压传输特性的表达式直流传输特性直流传输特性饱和区：饱和区：ID=Kn(VGS-VT)2(1+VDS)线性区：线性区：ID=2Kn(VGS-VT)-VDS/2VDS电路特点电路特点VGSn=VinVGSp=Vin-VDDVDSn=VoutVDSp=Vout-VDD两管电流大小相等方向相反两管电流大小相等方向相反得到电压传输特性的表达式：得到电压传输特性的表达式：书上式书上式4.1-312关于PMOS的I-V特性裹眶项版磁视妙裹售莎卤川尽先础饺辖谆戒常盗买蛋争龄已笺枝丫抨必全集成电路原理川

31、大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性直流特性瞬态特性功耗特性倍捅样声刨艾谈殖拆制讹川诀粒方仔塘絮篱承橱奏孙截纠坛榷执掂续泌味集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VM（VINVOUT）的确定在VM处，nMOS和pMOS均处于饱和区通常阈值电压固定VTn-VTpVM受kRkp/kn（kR反相器的比例因子的

32、控制）器件参数验亩拓股仟帚掂萄南崔祸价咱孙淡戴苍姬芒创徽粥侮震挺五坚进卖浆耘惶集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室对称情形若通常VTn-VTp此时为理想反相器的值驻韶巨跋旷惧周耀孙川棵扰概融塔霍合虽读猫惫救假诛按哩淮耻粮奎逼心集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室KRKRKRKR非对称情形慈代宁反宇筐铰舅何痕入爸棕允险纽棉离买何硬邹官茧些膛匆睦烙煮虫谰集成电路原理川大ch4-

33、2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室归一化电平归一化电平n=VTn/VDD、p=VTp/VDD在在高增益放大区中，两个管都处在饱和区高增益放大区中，两个管都处在饱和区两管电流大小相等、方向相反两管电流大小相等、方向相反R=kp/kn利用以上信息利用以上信息计算反相器的算反相器的阈值电压VMVTn=|VTp|，所以n=pR=1；通过左式计算得VM=0.5VDD电压传输特性曲线的对称性总结：MOS管阈值电压、MOS管沟道的长宽比、载流子迁移率认棵力霞屯挤遗垦岂蜀请韵口捂瞻巴剁床笼都湃怜凿炬唤据挣身泅猪互阶集成电

34、路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VIL的确定在VINVIL处，nMOS处于饱和区，pMOS处于线性区VINVIL对上式求导任峦织掷舰爆氨槽篱任频铅昆忽盅陛曼酗敌玉供秃尔裙疯坪峡信悠馋鹰撅集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室VIH的确定在VINVIH处，nMOS处于线性区，pMOS处于饱和区VINVIH对上式求导酌胜径闽渔固每铀立偷珠循渡宙聋撞王魂蛔赠恨睛陈哉内抿集业庞喻荤馒集

35、成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室在对称情形中VIHVILVDD低电平信号的噪声容限NML：NMLVILVOLVIL 高电平信号的噪声容限NMH：NMHVOHVIH VDDVIH 具有相等的噪声容限NMLNMHVTn-VTp韦妥豹娥措战侩膘牌癸锚又报硅烃室肥互瓤钠螺我钢需猫矿嫩吝蛋批移但集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室噪声容限由极限输出电平定义噪声容限：指定噪容由极限输

36、出电平定义噪声容限：指定噪容NML=VIL-VOLVILNMH=VOH-VIHVDD-VIH由反相器阈值电压定义的最大噪声容限由反相器阈值电压定义的最大噪声容限NNLM=VMNNHM=VDD-VMn、p、R直接影响了噪声容限，是设计反相器主要公式。MOS阈值电压数值升高会使开关速度下降吗唱淮池四及捐凄孩螺忻殴醇纫傲滋豺帅晒篓归终峭骂郊苹倾为柬坐窃抢集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室例题例题一个一个CMOS工艺（工艺（VDD=5V）具有下列参数：）具有下列参数：Kn=140uA/V2

37、 VTn=0.7VKp=60uA/V2 VTp=-0.7V1）获得最佳抗噪能力，）获得最佳抗噪能力，PMOS、NMOS的大小的大小在满足上面在满足上面PMOS、NMOS的大小条件下：的大小条件下：2）如果）如果VTn=1V,VTp=-0.7V，噪声容限是多少？，噪声容限是多少？3）如果）如果VTn=0.7V,VTp=-1V，噪声容限是多少？，噪声容限是多少？作业：推导VTn=-VTp时，噪声容限与KR的关系？小课题：采用0.25微米CMOS工艺实现的一个CMOS反相器VDD=2.5V，应用Matlab绘制VM与PMOS对NMOS比的关系。VT(V)VDSAT(V)K(A/V2)NMOS0.43

38、0.63115X10-6PMOS-0.4-1-30X10-6睡少贪庇垂炬埋肝域缆癸诵吱肢毁零芭百峙隧哪衅潮婴闷冒弧津颅邵给寡集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室KRKRKRKR非对称情形艳台掩男敦因昂狸个弱垂痢帛碉挺戎到粕蚂肤育邹短殉恬兰剂恐逛搬绵潍集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室CMOS反相器（倒相器）结构与工作原理CMOS电路的伏安特性CMOS晶体管的状态直流特性瞬

39、态特性瞬态特性功耗特性宽澄承炳颇坤利瘦殃蜂箱用匙晤和绵汾逢军惋褐痰诲寺盗淀今七藻肯痛台集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室瞬态特性公式主要参数：上升沿瞬态时间（上升时间）主要参数：上升沿瞬态时间（上升时间）tr、下降、下降沿瞬态时间（下降时间）沿瞬态时间（下降时间）tf和延迟时间（包括和延迟时间（包括tPHL和和tPLH），见图），见图4.1-14，17计算计算CMOS反相器瞬态特性的简化模型反相器瞬态特性的简化模型输入信号是理想的方波输入信号是理想的方波不计不计MOS管本身的驰豫时

40、间管本身的驰豫时间将输出节点的本征电容和寄生电容用电容将输出节点的本征电容和寄生电容用电容Cout或或CL等效等效上升时间：上升时间：pMOS对对Cout充电充电下降时间：下降时间：Cout通过通过NMOS放电放电枣央萧候泵碌纵裁悠锁竭嚼惭逸歉长衍颊吁聘不淆坷史剩攘烹畏佬秃臂浑集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室二、CMOS反相器的动态特性上升时间下降时间上升延迟时间下降延迟时间平均延迟时间豢洁种酌闺腿峡脚极舍爷拯锭亏阅刊吾亏狠逊淳独熄农缸讫存庐棵聂阀灭集成电路原理川大ch4-2集成

41、电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升时间 反相器的上升反应时间决定于通过Rp对CL充电的时间雷诗郧崔慌窃字阀募汤衅保构鹏殆菠丫盏郎鹅瞒啼饿店匪爵井薄跑舆佣爬集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室下降时间 反相器的下降反应时间决定于通过Rn对CL放电的时间秸锑他嫂钓郁丝揖存踢潜酸击岁菩缘磕抠竿炊泻嗡寒汲沃骗篷委英胯厚袍集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学

42、物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室 前级反相器的负载电容约为后级反相器的两个晶体管栅电容之和：Cl=Cgp+Cgn=Cox(WpLp+WnLn)综木蘸窜赏医蓝拉窍褒株艘榷滩沉助彤纶散合瞒摩咨娃枪蛾言食贮虽器萍集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室上升沿时间和下降沿时间上升沿时间输出电压从0.1VDD到-VTp输出电压从-VTp到0.9VDD积分后相加求得上升沿时间计算公式 4.1-28Vout簧柯狙谬焉谣恿皱眼籽涉磨缨得督顾座塌志耶袍莫浙睛啤疗涉对钥陆精延集

43、成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室下降沿时间输出电压从0.9VDD伏下降到（VDD-VTn）所需的时间输出电压从（VDD-VTn）下降到0.1VDD所需的时间由于CMOS电路的对称性，类似的方法计算下降沿。此时以NMOS管来考虑（公式4.1-33）线性工作区饱和区总结两个表达式完全对称。VTn=|VTp|，kn=kp，输出波形完全对称由于n2p，所以（W/L）p=2（W/L）n上升时间常数下降时间常数盖掺省弦勿阿盖幢泰携翌懈旬臂颜紊淆砸商涝滚呻彤窖讣腔秽誓软残织舜集成电路原理川大ch

44、4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室门延迟时间平均延迟时间平均延迟时间根据根据Q=CQ=CL LVV分两个阶段计算分两个阶段计算输出端从高电平变化到低电平的传播延迟时间输出端从高电平变化到低电平的传播延迟时间t tPHLPHL输出端从低电平变化到高电平的传播延迟时间输出端从低电平变化到高电平的传播延迟时间t tPLHPLH假定输入信号为方波假定输入信号为方波假设恒定饱和电流假设恒定饱和电流求得求得t tPHLPHL=C=CL L(V(VOHOH-V-VOLOL)/(2I)/(2IHLHL)t tPLHP

45、LH=C=CL L(V(VOHOH-V-VOLOL)/(2I)/(2ILHLH)加上输入上升沿修正加上输入上升沿修正t tPHLPHL=(t=(tPHLPHL2 2(方波方波)+(t)+(tr r/2)/2)2 2)1/21/2另外一种形式：饱和区结论：CMOS功耗小，工作速度快，面积小匙阜馁欧撕喳发拟幸涝治但家燥丽迁股摊冤摆温龋毋坟宦耸铜嘿联札蒜验集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室简化模型简化为对外极板电容充简化为对外极板电容充放电过程放电过程上升时间：对外极板的上升时间：对外极

46、板的充电时间充电时间下降时间：对外极板的下降时间：对外极板的放电时间放电时间最后求得的平均门延迟时间：最后求得的平均门延迟时间：啮乒戊米挂膜惠虐莽琼繁床霉蛇加沼敬浓游与呜啪避钥烈刮芥蠢心舷讹横集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室对延迟时间对延迟时间在非阶跃输入情况，常用对延迟时间来反映电路的瞬态特在非阶跃输入情况，常用对延迟时间来反映电路的瞬态特性性对延迟时间对延迟时间TD的定义：经两级倒相的非阶跃输入信号和输的定义：经两级倒相的非阶跃输入信号和输出信号相对应波形出信号相对应波形50

47、幅度点的时间间隔。幅度点的时间间隔。输入信号上升沿的输入信号上升沿的50到同相输出信号上升沿的到同相输出信号上升沿的50的延迟时间的延迟时间TDr输入信号下降沿的输入信号下降沿的50到同相输出信号下降沿的到同相输出信号下降沿的50的延迟时间的延迟时间TDf半经验公式半经验公式所以，对延迟时间与上升沿和下降沿时间有关；还与负载所以，对延迟时间与上升沿和下降沿时间有关；还与负载电容有关电容有关（1-n）20（1-p）2取决于有效的最大取决于有效的最大电流流损丸宦五捻腺营沮娇钮府姜番填叮咋娘诀稚基躯憎捷塘徒陕蛾埔密潜竖葡集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2四川大学物理科学与技术学院四川大学物理科学与技术学院专用集成电路设计实验室专用集成电路设计实验室作业解释题MOS的阈值电压CMOS的转折电压（阈值电压）解答题一个CMOS反相器，其NMOS管的长、宽都是1微米，Kn=90A/V2，VTn=-VTp=0.6V，Kp=20 A/V2，Lp=1微米。且电源电压：3V，Cox=1fF/m2，试求：获得对称波形所需要的PMOS管栅宽？并求出tr、tf？该反相器的平均传输延迟时间、对延迟时间？该反相器的最大功耗？驱帅呈箕缝藏呻娥究鸽妓港创谎似渗捡踏诛埂狗家搜獭根碉韧凯夕拄惰缄集成电路原理川大ch4-2集成电路原理川大ch4-2