第3章 CMOS反相器的分析与设计.pptVIP

3.4 CMOS反相器的设计 为获得最佳性能，常采用全对称设计： 由于电子迁移率大约是空穴迁移率的2倍，有 此时，逻辑阈值、噪声容限、上升/下降时间最优： 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.4 CMOS反相器的设计 实际情况：不可能获得完全对称设计 输入信号较差：考虑噪声容限 负载电容较大：考虑速度 对于大部分内部电路(扇出为1)：考虑面积 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 作业 3.2，3.3，3.4，3.5 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限 直流噪声容限：允许的输入电平变化范围 由单位增益点确定噪声容限： 在VTC的(2)区和(4)区，分别可以找到增益为1的位置； 分别作为输入低电平的最大值VILmax和输入高电平的最小值VIHmin； 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限 如果Kr=1, VTN=－VTP=VT 采用对称设计的CMOS反相器有相同的输入高电平和输入低电平的噪声容限。 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限 由逻辑阈值确定噪声容限： 若Vit=VDD/2， VNHM =VNLM＝VDD/2。 实际情况，VNHM?VNLM，最大直流噪声容限由 min{VNHM,VNLM} 决定。 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * * 例 题 一个CMOS反相器，Kr=1，设VDD = 5V，VTN = 0.8V，VTP = -1V，Cox = 4.6×10-8 F/cm2，μn = 500 cm2/Vs、μp = 200 cm2/Vs。由逻辑阈值点确定的最大噪声容限为多少？ 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 反相器的直流噪声容限 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 噪声会对电路的可靠性造成影响 i ( t ) Inductive coupling Capacitive coupling Power and ground noise v ( t ) V DD * 数字电路具有可恢复逻辑特性 可恢复逻辑特性 不可恢复逻辑特性 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 3.3 CMOS反相器的瞬态特性 3.3.1 负载电容 3.3.2 输出电压的上升时间和下降时间 3.3.3 传输延迟时间的计算 3.3.4 电路的最高工作频率 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.1 CMOS反相器的负载电容 三部分： MOS管的漏-衬底pn结电容CDBN和CDBP ； 下级电路的输入电容Cin； 互连线引起的寄生电容Cl。 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.1 CMOS反相器的负载电容 pn结电容用平均电容代替： 如果连线较短，连线寄生电容Cl可以忽略。 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * * 0.25 mm CMOS Capacitances W/L=0.36um/0.25um的NMOS（LD,S＝0.625u） 根据设计规则，计算出栅和漏端的电容 如果考虑反偏电压和适当的版图优化，二者基本相等，漏端电容甚至更小些 3.3.1 CMOS反相器的负载电容 Cin由下级电路全部NMOS和PMOS的栅电容构成。 栅电容决定于栅面积(W×L)和单位面积栅氧化层电容Cox。 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间 定义： 输出上升时间(tr)： V10%～V90% 输出下降时间(tf)： V90%～V10% 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间 (1) 阶跃输入的上升时间 PMOS的导通电流是对负载电容充电的电流： Vout≤－VTP时，PMOS饱和： Vout从V10%上升到－VTP的时间： 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间 (1) 阶跃输入的上升时间 Vout－VTP时，PMOS线性： Vout从－VTP上升到V90%的时间： 总上升时间： 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间 (2) 阶跃输入的下降时间 NMOS的导通电流是对负载电容放电的电流： Vout≥VDD－VTN时，NMOS饱和： VoutVDD－VTN时，NMOS线性： 北京大学微电子学系 贾嵩 2010 * 3.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间 (2) 阶跃输入的下降时间 总的下降时间： 若