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4.2反相器瞬态特性.pptVIP

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第四章 CMOS单元电路 4.2 反相器瞬态特性 * CMOS反相器 4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 4.3 CMOS反相器的设计 * 直流特性和瞬态特性 直流特性描述反相器中器件的工作状态和电路的噪声特性 瞬态特性,即输入信号随着时间变化过程中,输出信号的变化情况 瞬态特性决定着电路的速度 * 1、上升时间和下降时间 (1) 出现上升/下降的原因: Vin跳变(由0到1,或相反), Vout不会立刻反相 (2) Issue:Vout不会立刻反相的原因? 上升时间: 输出从逻辑摆幅的 10%变化到90% 下降时间: 输出从逻辑摆幅的 90%变化到10% V DD V V in out * 分析上升时间的等效电路 V out = V DD V in = 0 V DD (1) 物理思想:通过PMOS对Vout节点的电容充电 (2) IDP是随输出变化的 Vout=|VTP|, PMOS在饱和区, Vout|VTP|, PMOS在线性区 V DD V V in out 推导上升时间 PMOS饱和 归一化 积分求解 饱和电流充电:输出电平为0到-Vtp期间 积分起点(t0,-Vtp) t0 * 推导上升时间 PMOS饱和 归一化 积分求解 PMOS线性 积分求解 上升时间 * 上升过程充电电流的变化 Issue: 公式适用范围 * 分析下降时间的等效电路 (1) 与上升电路类似的分析: 通过NMOS对Vout节点的 电容放电 (2) Issue:IDN的计算? VoutVDD-VTN NMOS饱和; VoutVDD-VTN NMOS线性 * 2、反相器的传输延迟时间 电路的工作速度取决于传输延迟时间 输入信号变化50%到输出信号变化50%的时间 根据输出信号情况,分为上升延迟和下降延迟时间 * 阶跃输入:上升延迟 PMOS饱和 归一化 积分求解 PMOS线性 积分求解 上升延迟时间 * 传输延迟时间:阶跃输入 输入信号变化到输出信号变化50%的时间 取: * 反相器的速度 用平均延迟时间表示一般情况下的速度 * 传输延迟:非阶跃输入近似 利用电流传送电荷的时间 电压变化VDD/2 电流取饱和电流的一半 精确的结果可以利用SPICE仿真 * 延迟时间:影响因素 上升/下降延迟时间同电路充放电的电流和电容有关 因此,同器件的阈值电压,导电因子和电路的电源电压和负载电容有关 * CMOS反相器的负载电容 * 提高反相器的速度 增加器件的宽长比会同时增加导电因子和器件的栅电容和漏区电容 对于固定的大负载电容可以通过增加器件尺寸提高速度 对于小负载,反相器速度不会随着尺寸出现明显增加 * 瞬态响应:仿真波形 tpLH tpHL * 电路的最高工作频率 电路最高工作频率:由信号可以达到全摆幅的上升/下降时间决定 * 环形振荡器 “0” “0” “1” “1” “1” “1” “0” “0” 奇数个反相器首尾连接,环形构成 如果每个反相器都相同,则奇数个中间节点都相同 当电路供电VDD后,每个节点都会输出相同的方波,形成振荡器 * 环形振荡器 “0” “0” “1” “1” “1” “1” “0” “0” 环振输出方波的频率由构成环振的反相器的延迟时间决定 环形振荡器可以方便的测量反相器的传输延迟时间 环振也经常用于数字电路中产生时钟信号的电路中 * 环形振荡器的频率 “0” “0” “1” “1” “1” “1” “0” “0” * 例 题1 某0.5微米CMOS工艺,设VDD = 5V,VTN = 1V,VTP = -1V,Cox = 4×10-7 F/cm2,μn = 400 cm2/Vs、μp = 200 cm2/Vs (1)反相器的PMOS和NMOS的宽长比分别为8和4,则一个由5级反相器构成的环振的频率为多少?(忽略PN结电容) (2)如果在环振的其中一个节点增加一个4fF电容,则频率变为多少? * CMOS反相器 4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 4.3 CMOS反相器的设计

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