静态CMOS反相器.PPT

? Digital Integrated Circuits2nd Inverter Digital Integrated CircuitsA Design Perspective The Inverter 反相器 Jan M. Rabaey Anantha Chandrakasan Borivoje Nikolic 5.1 The CMOS Inverter: 静态CMOS反相器 V in V out C L V DD 成本: 复杂性、面积表示 完整性和稳定性: 静态（稳态）特性表示 性能: 动态（瞬态）响应决定 能量效率: 功耗和能耗决定 5.2 Static CMOS Inverter (静态CMOS反相器) Polysilicon In Out V DD GND PMOS 2l Metal 1 NMOS Contacts N Well Two Inverters Connect in Metal Share power and ground CMOS Inverter: 一阶DC 分析 V DD V DD V in 5 V DD V in 5 0 V out V out R n R p Vin=VDD Vin=0 晶体管可以看作是一个具有无限关断电阻和有限导通电阻的开关 静态CMOS特性 VOL = 0 VOH = VDD VSW=VDD VM = f(Rn, Rp) 逻辑电平与器件的相对尺寸无关，晶体管可以采用最 小尺寸：无比逻辑（有比逻辑：电平决定于相对尺寸） 稳态时在输出和VDD或GND之间总存在一条具有有限 电阻的通路，可以拥有较低的输出阻抗，对噪声和干扰 不敏感。Low RO (kΩ) 由于反相器输入节点只连到晶体管栅上，Ri极高，稳 态输入电流几乎为零。栅绝缘体: Iin≈0 Fout=∞ 稳态工作情况下电源线和地线之间没有直接的通路 （无任何静态功率）（忽略漏电流） Voltage TransferCharacteristic电压传输特性 PMOS Load Lines（负载曲线） V DSp I Dp V GSp =-2.5 V GSp =-1 V DSp I Dn V in =0 V in =1.5 V out I Dn V in =0 V in =1.5 V in = V DD +V GSp I Dn = - I Dp V out = V DD +V DSp VDD=2.5V s s D G 图解法叠加PMOS和NMOS器件电流特性 CMOS Inverter Load Characteristics (静态) : DC op (IDn=IDp) 为使一个DC工作点成立，通过两个MOS的电流必须相等即两条相应负载线的交点 所有的工作点不是在高输出电平就是在低输出电平上，因此反向器的VTC具有非常窄的过渡区，且在过渡期间具有较高增益 CMOS 反相器的 VTC VDS=VGS CMOS反相器的瞬态响应主要由门的输出电容CL决定：NMOS和PMOS的漏扩散电容、连线电容以及扇出门的输入电容 VDS=VGS VGT=VGS-VT VDSAT CMOS Inverter: 瞬态响应---简化开关模型 t pHL = f(R n .C L ) = 0.69 R n C L t pLH = f(R P .C L ) = 0.69 R P C L 一个快速门的设计是通过减小输出电容或者减小晶体管的导通电阻（增加宽长）来实现 V out R p V DD V in 5 0 (a) Low-to-high C L V out R n V DD V in 5 V DD (b) High-to-low C L Vin=0 Vin=VDD Rn、Rp为晶体管两端电压的 非线性函数 5.3 CMOS Inverter Static characteristicVOH=VDD VOL=GNDVM , VIH, VIL, VSW ?? 5.3.1. 开关阈值 开关阈值VM定义在Vin=Vout，在这一区域，由于VDS＝VGS，PMOS和NMOS总是饱和的，使通过两个晶体管的电流相等就可以得到VM的解析式。如果电源电压足够高，可假设两个管子均处于速度饱和状态（VDSATVM-VT），同时忽略沟长调制效应： …..(1) 假设PMOS和NMOS的栅氧厚度相同 通常希望满足 即 意味着 r=1 当VDD值较大时（与VT及VDSAT相比） 开关阈值取决于r，即两个管子相对驱动强度的比。 使开关阈值等于所希望VM的对应尺寸由式（1）可得： 为使VM上移要求具有较大r值 …..(2) Exp5.1