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DigitalIntegratedCircuits
ADesignPerspectiveTheInverterJanM.RabaeyAnanthaChandrakasanBorivojeNikolicJuly30,2023
TheCMOSInverter:AFirstGlanceVinVoutCLVDD
CMOSInverterPolysiliconInOutVDDGNDPMOS2lMetal1NMOSContactsNWell
TwoInvertersConnectinMetalSharepowerandgroundAbutcells
CMOSInverter
First-OrderDCAnalysisVOL=0VOH=VDDVM=f(Rn,Rp)VDDVDDVin5VDDVin50VoutVoutRnRp
CMOSInverter:TransientResponsetpHL=f(Ron.CL)=0.69RonCLVoutVoutRnRpVDDVDDVin5VDDVin50(a)Low-to-high(b)High-to-lowCLCL
VoltageTransfer
Characteristic
PMOSLoadLinesVDSpIDpVGSp=-2.5VGSp=-1VDSpIDnVin=0Vin=1.5VoutIDnVin=0Vin=1.5Vin=VDD+VGSpIDn=-IDpVout=VDD+VDSpVoutIDnVin=VDD+VGSpIDn=-IDpVout=VDD+VDSp
CMOSInverterLoadCharacteristics
CMOSInverterVTC
SwitchingThresholdasafunctionofTransistorRatio1001010.80.911.11.21.31.41.51.61.71.8MV(V)Wp/Wn
DeterminingVIHandVILVOHVOLVinVoutVMVILVIHAsimplifiedapproach
InverterGain
GainasafunctionofVDDGain=-1
SimulatedVTC
ImpactofProcessVariations00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)GoodPMOSBadNMOSGoodNMOSBadPMOSNominal
PropagationDelay
CMOSInverterPropagationDelay
Approach1
CMOSInverterPropagationDelay
Approach2
CMOSInvertersPolysiliconInOutMetal1VDDGNDPMOSNMOS1.2mm=2l
TransientResponsetp=0.69CL(Reqn+Reqp)/2?tpLHtpHL
DesignforPerformanceKeepcapacitancessmallIncreasetransistorsizeswatchoutforself-loading!IncreaseVDD(????)
DelayasafunctionofVDD
DeviceSizing(forfixedload)Self-loadingeffect:Intrinsiccapacitancesdominate
NMOS/PMOSratiotpLHtpHLtpb=Wp/Wn
ImpactofRiseTimeonDelay
InverterSizing
InverterChainCLIfCLisgiven:Howmanystagesareneededtominimizethedelay?Howtosizetheinverters?Mayneedsomeadditionalconstraints.InOut
InverterDelayMinimumlengthdevices,L=0.25mmAssumethatforWP=2WN=2Wsamepull-upandpull-downcurrentsapprox.equalresistancesRN=RPapprox.equalrisetpLHandfalltpHLdelaysAnalyzeasanRCnetw
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