大规模集成电路 第4章 数字集成电路设计基础2

4.2CMOS反相器4.2.1反相器电路1、电阻负载反相器（E/R）Ui为低时：驱动管截止，输出为高电平：Uoh=UddUi=Udd时：输出为低电平：其中Rl为驱动管的导通电阻。为了使Uo足够低，要求Rl与Rp应有合适的比例。因次，E/R反相器为有比反相器。*pplRUoUddRRUddU0UssUiRl2、增强型负载反相器（E/E）U2管栅极接UDD，等效负载电阻很小(1/gm2),增益很小，衬底接全电路的最低电位点(地)。UiUDDUoV2V1因此U2管(也称上拉管)存在背栅效应。当Ui=0时，U1管截止，输出为高电平;当Ui=1时，U1管导通，输出为低电平。3、耗尽负载反相器（E/D）UiUDDUoV2V1U2管栅、源极之间短路，UGS2=0,等效负载约为rds2，阻值较大，增益也较大，U2管同样存在背栅效应。当Ui=0时，U1管截止，输出为高电平;当Ui=1时，U1管导通，输出为低电平。4、CMOS反相器P管衬底接UDD,N管衬底接地，栅极与各自的源极相连，消除了背栅效应，而且P管与N管轮流导通截止，输出不是0就是UDD，“无比电路”UiUDDUoV2V14.2.2CMOS反相器功耗1.静态功耗PS当Ui=0时，U1截止，U2导通，Uo=UDD(“1”状态)。当Ui=UDD(“1”)时，U1导通，U2截止，Uo=0(“0”状态)。因此，无论Ui是“0”或“1”，总有一个管子是截止的，ID=0故静态功耗PS=ID×UDD=0UiUDDUoV2V1UiUDDOUoOiDOTcT1T2UDDiDPiDNtttUiUoCLUDDiDPiDNV2V1(a)(b)UiUDDOUoOiDOTcT1T2UDDiDPiDNtttUiUoCLUDDiDPiDNV2V1(a)(b)2.动态功耗(瞬态功耗)PD1)对负载电容CL充放电的动态功耗PD1——交流开关功耗如图所示，设输入信号Ui为理想方波。当Ui由“0”→“1”时，输出电压Uo由“1”→“0”,U1导通，U2截止，IDN使CL放电(反充电)，Uo下降。当Ui由“1”→“0”时，输出电压Uo由“0”→“1”，U1截止，U2导通，IDP给CL充电，Uo上升。因此，在输入信号变化的一段时间内，管子存在电流和电压，故有功率损耗。UiUDDOUoOiDOTcT1T2UDDiDPiDNtttUiUoCLUDDiDPiDNV2V1(a)(b)UiUDDOUoOiDOTcT1T2UDDiDPiDNtttUiUoCLUDDiDPiDNV2V1(a)(b)2.动态功耗(瞬态功耗)PD2)一周内CL充放电使管子产生的平均功耗12001)()(1TTDSNDNDSPDPcDdtUidtUiTP式中Tc为输入信号周期。,oDPDNLDSPDDoDSNodUiiCUUUdtUU(4-5a)(4-5b)2.动态功耗(瞬态功耗)PD2)一周内CL充放电使管子产生的平均功耗12001)()(1TTDSNDNDSPDPcDdtUidtUiTP式中Tc为输入信号周期。故,oDPDNLDSPDDoDSNodUiiCUUUdtUU21)()()(DDcLDDOLOHcLUUUUooDDoDDocLDUfCUUUfCdUUUUdUUTCPOLOHOHOL(4-5a)(4-5b)3)Ui为非理想阶跃波形时引入的动态功耗PD2——直流开关功耗UiUDDUDD－|UTHP|UTHNOIDNIDPIDMOUTHPt1t2t3t4tt当输入信号不是理想阶跃变化时，对NMOS管，UGSN=Ui,则(1)当UGSN=UiUTHN时，NMOS管截止;(2)当UGSN=UiUTHN时，NMOS导通。对PMOS管，UGSP=Ui-UDD,则(1)当|UGSP|=|Ui-UDD||UTHP|时，PMOS管截止；(2)当|UGSP|=|Ui-UDD||UTHP|时，PMOS管导通。3)Ui为非理想阶跃波形时引入的动态功耗PD2——直流开关功耗UiUDDUDD－|UTHP|UTHNOIDNIDPIDMOUTHPt1t2t3t4tt在t1～t2，t3～t4时间段内，NMOS管和PMOS管同时导通，iDN=iDP≠0,UDSN、UDSP也不为0，产生瞬态功耗PD2，该电流贯穿NMOS管和PMOS。设电流峰值为IDM，其平均电流近似为IDM/2,那么，电源供给的平均功率(也就是管子消耗的平均功率)为)(2122121432frcDDDMttttDDDMDDDMcDttfUIdtUIdtUITP22)(2)(2THPDDPoxpTHNDDNoxnDMUULWCUULWCI总的反相器功耗PD=PD1+PD2由以上分析可得结论：要降低功耗，必须要按比例减小管子的尺寸(CL减小)，特别是减小供电电压UDD。2413211()222ttDMDMDDDDDDMDDcrfttcIIPUdtUdtIUfttT00.511.522.500.511.522.5VIN(V)VOUT(V)VINVOUTM2M1IpInVDD4.2.3CMOS反相器的直流传输特性随着Ui由小变大(0→UDD)，反相器的工作状态可分为5个阶段来描述00.511.522.500.511.522.5VIN(V)VOUT(V)NMOS截止PMOS线性NMOS饱和PMOS线性NMOS饱和PMOS饱和NMOS线性PMOS饱和NMOS线性PMOS截止abcdefVout=Vin-VTHNVout=Vin-VTHPVINVOUTM2M1IpInVDD4.2.3CMOS反相器的直流传输特性随着Ui由小变大(0→UDD)，反相器的工作状态可分为5个阶段来描述电流方程如下：设VTP=-VTN22200()2()()2INTNNNINTNTNINOUTTNNINTNINTNOUTOUTTNINVVIVVVVVVVVVVVVVV截止+饱和线性2220()2()()2DDTPINDDPPINTPDDOTPiDDTPPINTPDDINTPOUTINOUTTPVVVVIVVVVVVVVVVVVVVVVV截止饱和线性VTNVINVOUT+VTP时：N管饱和，P管线性由In=-Ip得：如图b—c段22()()NOUTINTPINTPDDINTNPVVVVVVVV0≤VIN≤VTN时：N管截止P管线性（VINVTN）P管无损地将VDD传送到输出端：VOUT=VDD，如图a－b段。1.AB段2.BC段VOUT+VTP≤VIN≤VOUT+VTN时：N管饱和，P管饱和由In=-Ip得：VOUT与VIN无关(VOUT与VIN关系为一条垂直线，在一级近似下得到)，称为CMOS反相器的逻辑阈值电压VTH，或转换电压，如图c—d段。VOUT+VTNVINVDD+VTP时：N管线性，P管饱和，由In=-Ip得：如图d—e段。()1/NTNPDDTPDDTNTPINTNNPNPVVVVVVVV22()()POUTINTNINTNINTPDDNVVVVVVVV3.CD段4.DE段VDD+VTP≤VIN≤VDD时：N管线性P管截止VOUT=0如图e—f段。CMOS反相器有以下优点：(1)传输特性理想，过渡区比较陡(2)逻辑摆幅大：Voh=VDD,Vol=0(3)一般VTH位于电源VDD的中点，即VTH=VDD/2，因此噪声容限很大。(4)只要在状态转换为b－e段时两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。(5)CMOS反相器是无比（Ratio-Less）电路，利用P、N管交替通、断来获取输出高、低电压的，而不象单管那样为保证Vo足够低而确定P、N管的尺寸。5.EF段4.2.4CMOS反相器的噪声容限所谓噪声容限，是指电路在噪声干扰下，逻辑关系发生偏离(误动作)的最大允许值。若输入信号中混入了干扰，当此干扰大过反相器输入电压阈值时，则使原本应该是高电平的输出信号翻转为低电平，或使原本应该是低电平的输出信号翻转为高电平。UoUDDOUNLUNHUiTUDDUi以输入阈值电压UiT为界，则低端的噪声容限为UNL，高端的噪声容限为UNH，有UNL=UiTUNH=UDD-UiT若要使高端噪声容限和低端噪声容限相等，即UNL=UNHVUUUUNHNLDDiT5.22称此时的噪声容限为最佳噪声容限。从式2/1DDPNTHPTHNDDTHNiTUUUUUU()1/NTNPDDTPDDTNTPiTTNNPNPUUUUUUUU若P管阈值电压UTHP与N管阈值电压UTHN相等，则得βN=βP导电因子NNPnPPoxPPNoxnNLWLWLWLWCLWC)4~2(要求P管的尺寸比N管大2～4倍如果沟道长度设计成一样的，则P管的沟道宽度要比N管大，即NPNPWWLL)4~2(如果取NPLWLWNNPnPPoxPPNoxnNLWLWLWLWCLWC)4~2(则)4~2(pnPN那么UiT偏小(左移)，UNLUNH。2/1DDPNTHPTHNDDTHNiTUUUUUU噪声容限的另一种定义是以两个单位增益点为界，此时，低电平噪声容限和高电平噪声容限的规定将更为严格，且有VVUVVUNHNL125.2817125.2817βN=βP,的NPLWLW反相器版图,βNβP的NPLWLW反相器版图4.2.5CMOS反相器的门延迟、级联以及互连线产生的延迟1.CMOS反相器的延迟分析模型用于CMOS反相器延迟分析的RC模型如图所示，将管子导通时的电流电压关系等效为一个电阻，其中RP表示P管导通时的等效电阻，RN表示N管导通时的等效电阻；RL为连线电阻，CL为负载电容。如果反相器级联，那么CL代表下一级反相器的输入栅电容。UiUo(a)CLUDDUDDRPSSRNRLCL(b)2.RP、RN的估算在Ui从0到UDD变化的过程中，N管的工作状态由截止区→饱和区(恒流区)→线性区变化。其中线性区的电压为，饱和区的电压为Usat=UDD，线性区电阻Rlin和饱和区电阻分别为2DDTHNlinUUUsatsatsatlinlinlinIURIUROID线性RN饱和UGS＝UDDUDSUDD0.5(UDD－UTH)取其平均值做为N管的等效电阻RN，则2satsatlinlinNIUIUR式中，饱和区电流Isat和线性区电流Ilin分别为22222)(832)()(2])(2[2,)(2THNDDNoxnTHNGSTHNDDNoxnDSDSTHNGSNoxnlinDDsatDDGSNTHNGSNNoxnsatUULWCUUUULWCUUUULWCIUUUUUULWCI2satsatlinlinNIUIURRN和RP的比值因为电阻与电流成反比，在电源电压和阈值电压相同的条件下，电流与导电因子βN(或βP)成正比，故NoxnPoxpNPPNLWCLWCRR所以NnPpPNLWLWRR近似式)(4~5.2)()/(4~5.2