第10讲 CMOS反相器.ppt

第10讲 CMOS反相器 电路结构和逻辑功能 直流特性 直流参数VIH和VIL的物理意义 VIH 最小可靠输入高电平电压.完整的名称应为VIH(min). VIL 最大可靠输入低电平电压.完整的名称应为VIl(max). CMOS反相器VIH和VIL的定义 VOH和VOL VOH的一般定义是,最小合格高电平电压,VOL的一般定义是最大合格低电平电压. CMOS集成电路内部总是规定VOH=VDD, VOL=0V. 在外部引脚有电流负载时,允许VOH略有下降,也允许VOL略有上升,例如VOH(min)=0.9VDD, VOL(max)=0.1VDD 噪声容限(Noise Margins) 理想传输特性 实际传输特性 转换点处反相器中MOS管的工作状态 转换点电压计算公式 无偏斜反相器 反相器的传输延迟tphl和tplh 上升时间和下降时间 反相器实验 *----------反相器静态特性-------------- .option post=2 .option search =d:/hspice2011/libs .lib st02.lib tt *-------------------------------------- .param WX=1.5u m1 y a vdd vdd mp w=WX l=0.5u m2 y a gnd gnd mn w=1.05u l=0.5u v1 vdd gnd 5 v2 a gnd 0 .dc v2 0 5 0.01 sweep WX poi 3 1.05u 2.65u 6.05u .end 实验结果 反相器的PN比 无偏斜PN比的计算 实际电路的PN比 “最佳PN比”是根据速度确定的,使用该PN比时,P管宽度较大,会导致面积和功耗增加. 实际设计中,普通反相器的PN比小于“最佳PN比”,一般约等于最佳PN比的平方根. 驱动时钟信号的反相器的PN比按保证上升、下降延迟相等的“最佳PN比”设计. 反相器的动态电流 反相器的动态功耗 数字电路功耗的一般表达式 * * 反相器是CMOS数字电路性能设计的基准。其它逻辑门的性能要按等价为反相器时的性能来考虑. 1.传输特性曲线 输出电压随输入电压变化的曲线 要使逻辑电路可靠工作,输入高电平电压必须大于VIH,输入低电平电压必须小于VIL. VIL:输入电压由低到高变化时,输出电压开始下降且传输特性曲线斜率为-1的点,即图中A点对应的输入电压. VIH:输入电压由高到低变化时,输出电压开始上升且传输特性曲线斜率为-1的点,即图中B点对应的输入电压. 集成电路内部一般没有阻性负载(没有输出电流),设计者应始终保持VOH=VDD(对CMOS电路容易实现),即使VOH=0.99VDD也是不好的设计. 反映可靠性的参数. NMH称为高电平噪声容限 NML称为低电平噪声容限. VIH=VIL=1/2VDD,具有最大的噪声容限. VSP称为转换点电压或反相器的阈值电压,如何使VSP=1/2VDD? 正常工作条件: 要使输出电压变化,必须有 由定义: 所以: 故 两个管子都在饱和区. 由于两个管子都在饱和区，且电流相等，所以有 VSP计算公式为 高偏斜(high-skewed) 无偏斜反相器(unskewed) 低偏斜(low-skewed) 传输延迟的定义： 输入信号变化50%VDD到输出信号变化到50%VDD的时间。 命名：从输出信号的角度命名。tplh是输出由低到高的延迟，tphl是输出有高到底的延迟。 上升时间：从10%VDD上升到90%VDD的时间。 下降时间：从90%VDD下降到10%VDD的时间。 上升下降时间统称迁移时间（Transition time).另有定义为20%到80%. PN比：一个设计中， 反相器的P管“宽长比”与N管“宽长比”之比，即（WP/LP)/(WN/LN)。PN比与工艺相关,一般在1.5-3. ”最佳PN比”可采用以下方式两种方式之一确定 （1）根据静态特性：使反相器的转换点电压为1/2VDD。 （2）根据动态特性：使反相器的tplh和tphl相等。 两种方法本应一致，但实际略有区别。 典型情况LN=LP=L(min)，PN比等价于P管和N管的宽度比。 典型工艺中 要使VSP=1/2VDD，则 即 由于L一般都取最小，所以 由定义转换点处Vin=Vout=VSP IDN=IDP 输出电平变化时才有电流。 注意：测功耗要看电源的电流，不是输入信号源电流。 充电平均电流 平均功耗 *