数字集成电路第7章.

反相器MOS•PMOS最找进入市场,工艺简单,成本低•NMOS优于PMOS,速度高,µ•反向器是数字集成电路电路最基本的单元•反相器、倒相器、非门是一回事•MOS倒相器可分为–电阻负载型–增强型MOS管负载型–耗尽型MOS管负载型–负载管为PMOS管时的是称为CMOS倒相器反相器MOS•耗尽型：栅源电压为零，导电沟道存在，只要加一定的漏源电压，就产生漏极电流•增强型：栅源电压加到一定程度，才形成沟道，后加漏源电压，就产生漏极电流。反相器特征•输入为高电平；输出为低电平。•输入为低电平；输出为高电平。•两方面：直流传输特性；瞬态特性MOS管直流传输特性)1()(22)(022DSTinDSDSTinDSVVVVVVVIDSTinDSTinTinVVVVVVVV00MOS管直流传输特性•随着输入电压增加,NMOS管先进饱和,后进入线性区)()22(0lwtVVVoxFFSBTT),()(outinDLLLDDoutVVIIIVVVMOS管直流传输特性•当VinVT时,驱动管截止,漏源之间有微量电流通过,电源电压大部分降到驱动管上了,输出电压Vout=VDS,接近于VDD,记作VOH•当VinVT时,驱动管导通,并进入饱和22)(20)1()(2TinDSDSTinDSVVIVVVI当忽略沟道调制效应时MOS管直流传输特性•Vin继续增大,当Vin-VTVDS时,线性工作区输出为饱和压降驱动管饱和时达到当，，VVVVVIDDDSDSTinDSin2V2)(MOS管直流传输特性•非线性图解,可得如图所示的传输特性曲线•通常把倒向器的阈值电压输出高电平输出低电平输入高电平的最低电压要保证输出低电平输入低电平的最高电压要保证输出高电平逻辑阈值电压器的所对应的电压作为倒相TH0H0LIHILVVV,V,V1/inoutdVdVMOS管直流传输特性低电平噪声容限分别为高电平噪声容限ILOLLIHOHHVVNMVVNM瞬态特性•tf输出电压从摆幅的90%降到10%的时间•Tr输出电压从摆幅的10%升到90%的时间•Tpf输入阶跃处t1时刻到输出电压降至50%•Tpr输入阶跃处t2时刻到输出电压升至50%)(2121OHOLVVV瞬态特性(下降时间)•倒相器下降时间分两部分一部分是Cout从VOH---VOL(nS);另一部分沟道电子渡越时间(pS)•只考虑放电时间,负载管的漏电流远小于ID瞬态特性(下降时间)cTinTinOHVVDoutoutttftVVVVVoutVIdVCdttOLOH的瞬间为时假设管转为非饱和状态驱动时当下降到饱和驱动管处于开始下降时从当阶段驱动管经历两个不同的outoutoutV,,V;,V,)(21瞬态特性(下降时间)212111)(2)(2)(TOHToutfVVVTOHoutfcfVVVCtVVoutdVCttttTOHOH瞬态特性(下降时间))ln(1)(1)(2ln)(2)(2)(22222nnnOLTOHTOHoutfVVVoutoutTOHoutfCfbxaxabxaxdxVVVVVCtVVVVoutdVCttttOLTOH瞬态特性(下降时间)OHTOHoutfOLTOHTOHTTOHoutffffVVVCVVVVVVVVCtttt和增大减小提高倒相器响应速度从中可以看到,C,,)(1)(2ln)(2)(out21瞬态特性(上升时间)•上升时间,是对电容充电过程•从10%----90%rfLDDLoutLVVLoutoutttrttVVIVIoutVIdVCdtt一般和充电电由于通过不同的路径放中具体分析在以后不同的负载电路器件的特性取决于负载式中,;,)()()(1021瞬态特性(下降延迟时间)饱和与非饱和阶段同样下降其间分为两个;)(21VVDoutoutpfOHoutVIdVCt瞬态特性(下降延迟时间)TOHOHVVVTOHoutpfpfpfpfVVoutdVCtttt2121)(2)(212)()(22VVVoutoutTOHoutpfTOHVVVVoutdVCt瞬态特性(下降延迟时间)OHTOHoutfOLOHTOHTOHTTOHoutpfpfpfpfVVVCVVVVVVVVVCtttt和增大减小提高倒相器响应速度从中可以看到,C,,)(1)()(4ln)(2)(out21瞬态特性(上升延迟时间)Pr,)()()(21ttVVIVIoutVIdVCtPfLDDLoutLVVLoutoutprOL一般器件的特性取决于负载式中功率延时乘积•要提高倒相器的工作速度,减少延迟时间,在一定输出等效电容的情况下,要增大输出电容放电和充电电流,•增大充电电流意味着增大负载管的功耗•增大放电电流意味着增大驱动管的功耗•提高速度和降低功耗是一对矛盾•用tpPav来作为电路性能的参数功率延时乘积)(1,)(21DDDSLDDDDSLDavprpfpVVRIVVRIPttt率入下降和上升的附加功还应该计除了静态平均功耗外电阻负载型MOS倒相器22inin)(2)(2,,V,0,,0VTinLDDoutTinLDTGSDSoutDDOHoutDVVRVVVVIIVVVVVVVI于饱和状态器件处平由于输出仍为较高的电驱动管开始导通压时增大到驱动管的阈值电当输出等于驱动管截止当电阻负载型MOS倒相器•当VOUT下降到Vin-VT值时,驱动管进入非饱和状态,它的电流方程为:2)(2)(22outoutTinLDDoutoutoutTinDVVVVRVVVVVVI电阻负载型MOS倒相器V0HV0LVIHVIL•V0H:如忽略漏电流的情况,V0H=VDD•当输出电压为V0L时,•器件处在非饱和状态TinOLoutVVVV值解得OL22V02)1(22)(LDDOLTDDOLOLOLTOHLDDoLRVVVVRVVVVVRVV电阻负载型MOS倒相器V0HV0LVIHVILLDDILoutLTILinTinLinoutTinLDDoutRVVVRVVVVVRdVdVVVRVV21)(11)(/)(22此时求导对电阻负载型MOS倒相器V0HV0LVIHVIL0)138()(2)(:21)(21::1/:)(1/:2)(::V2222IHLLDDTIHLTIHLTIHoutIHininoutoutTinLoutLinoutoutoutTinLDDoutRRVVVRVVRVVVVVdVdVVVVRVRdVdVVVVVRVV求方程得有令得求导对确定电阻负载型MOS倒相器分析•输出高电平VOH=VDD•输出低电平VOL与RLβ有关•RLβ越大,VOL越低•过渡斜率也与RLβ有关,RLβ越大,无论饱和还是非线性,斜率dVout/dVin越大,即过渡区越窄.•为了得到较低的VOL,窄的过渡区,在W/L一定的情况下,选择较大的电阻,占用较大的芯片面积,因此倒向器常采用晶体管作负载.电阻负载型MOS倒相器的瞬态特性无关基本与理想方波到是从管倒相器的输入电压下降时间LinR)(1)(2ln)(2)(VMOS:TOHoutfOLTOHTOHTTOHoutfOHOLVVCVVVVVVVVCtVV电阻负载型MOS倒相器的瞬态特性无关下降延迟基本与和增大减小提高倒相器响应速度从中可以看到下降延迟时间LoutR,C,,)(1)()(4ln)(2)(，VVVCVVVVVVVVVCt：OHTOHoutfOLOHTOHTOHTTOHoutpf电阻负载型MOS倒向器的瞬态特性)ln(::)ln(:::)(:211101021VVVVtCRVVVVCRtVVdVCRtRVVIoutVIdVCdttDDOLDDrproutLrDDODDoutLrVVoutDDoutoutLrLoutDDLVVLoutoutttr上升延迟时间上升时间常数上升时间得其中上升时间一般公式电阻负载型功率延时乘积2241)(:)(2:)(21::)(1:DDoutDCpavLonDDavoutLonpLoutrprTOHononoutfpfVCtpRRVpCRRtRCtVVRRCt平均静态功率延迟积率一个周期内平均静态功平均延迟近似假设上升延迟近似假设下降延迟近似电阻负载型功率延时乘积rpDDoutrpavrDDoutavrDDrOLDDoutoutoutLttVCtptVCItVtVVdtdVdtdVCI2)(:::::上升延迟功率积上升时平均电流近似上升电流上升延迟功率积的计算电阻负载型功率延时乘积fpLonDDoutfpavoutonfpffoutonfpfLDDOLDDOHDDLavttRRVCtpCRttCRtRVVVVVRI2)(:222::2)()(21:下降功率延迟积为那么有假设近似有平均电流可近似为电阻负载型总的功率延时乘积2243)(:2::)41()(:DDoutpavprLonfpLonrpDDoutpavVCtpttRRttRRttVCtp则上式简化为近似取考虑到总的延迟功率积电阻负载倒相器设计DDOHOHinDDLoffoffOHDOHoffDDOHVVVVVRRRVIVRVV%95:::::一般有如果输出幅度驱动管截止时漏电阻近似电阻负载倒相器设计值解得OL22V02)1(22)(LDDOLTDDOLOLOLTOHLDDoLRVVVVRVVVVVRVV2)(V2OLoutoutTinLDDoutVVVVRVV的确定电平电阻负载倒相器设计LTILOLOLTOHOLDDLOLOLTOHLDDoLRVVVVVVVVRVVVVRVV1:)(2)(2:2)(:22然后可以求本式子这是确定器件参数的基得由式子电阻负载倒相器设计0)138()(2)(:V222IHLLDDTIHLTIHRRVVVRVV求方程确定电阻负载倒相器设计1222)(:2)(:2)(:2)(:OLTinonOLTinOLDOLOLTOHDoutoutTinDVVVRVVVVIVVVVIVVVVI导通电阻为得进入非线性区导通电阻的设计电阻负载倒相器设计)(:1)()(4ln)(2:TOHoutfOLOHTOHTOHTfpfVVCVVVVVVVt下降时间常数下降延迟时间1)(2ln)(2:OLTOHTOHTffVVVVVVt下降时间电阻负载倒相器设计outLrDDOLDDrprDDODDrrCRVVVVtVVVVt:)ln(:)ln(:211上升时间常数上升延迟时间上升时间)41()(:2fpLonrpDDoutpavttRRttVCtp总的延迟功率积增强型MOS负载倒相器•电阻型负载占用面积大;限制了使用,用NMOS晶体管代替线性电阻。•负载管与驱动管采用同样的制作工艺,工艺参数β