第10讲CMOS反相器

第10讲CMOS反相器电路结构和逻辑功能AInputVDDM2 AOutputMlInput VDDAOutput反相器是CMOS数字电路性能设计的基准。其它 逻辑门的性能要按等价为反相器时的性能来考虑.直流特性1 传输特性曲线 输出电压随输入电压变化的曲线直流参数Vih和V丄的物理意义口 VlH最小可靠输入咼电平电压完整的名称应为ViH(min)口 vIL最大可靠输入低电平电压.完整的名称应为砂要使逻辑电路可靠工作，输入高电平电压必须大于 1/讯，输入低电平电压必须小于CMOS反相器Vih和Vl的定义Vil：输入电压由低到高变化时/输出电压开始下降且 传输特性曲线斜率为J的 点/即图中A点对应的输入 电压.Vi输入电压由高到低 变化时，输出电压开始上 升且传输特性曲线斜率 为J的点,即图中B点对应的输入电压.片和V0L Aqh的一般定义是/最小合格高电平电压丿厶川勺一般定义是最大合格低电平电压 CMOS集成电路内部总是规定匕=%少VOL=0V.在外部引脚有电流负载时，允许Voh略有下降,也允许Vol略有上升, 例如 VoH（min） - 9Vdd,V0L（max）= 0.1VDD集成电路内部一般没有阻性负载（没有输出电流），设计者应始终保持V0H=VDD对CMOS电路容易实现），即使 VOH=0. 99Vdd也是不好的设计.噪声容限(Noise Margins)反映可靠性的 参数.叽称为高 电平噪声容限ZVM/称为低电NMh=VohVih内部 NMh=Vdd-VihNMl=Vil-V0L 内部 NMl= Vil平噪声容限.负载门理想传输特性Output, VVDDVDD2Input, V VDDVIH=VIL= 1/2Vdd,具有最大的噪声容限.实际传输特性VSP称为转换点电压或反相器的阈值电压，如何使VSP=1/2VDD?转换点处反相器中MOS管的工作状态正常工作条件：VddVthn+VtnpOut要使输出 电压变化, 必须有Vcsi =匕 VthN叫G2 = DD Kn VthP由定义:=%所以：匕DS1 VthN VDS ,satVDDOutput*D2 = 7DD 匕 thP Vsd,sat故两个管子都在饱和区.转换点电压计算公式由于两个管子都在饱和区，且电流相等，所以有-yr/iV)2 =勒(FDD - Vsp - thp)1l/sp计算公式为 Vthn + (VDD- Vthp)Vsp =无偏斜反相器无偏斜反相器(unskewed) Pp Pn Vsp = VDD高偏斜(highskewed)卩P久匕八如低偏斜(low-skewed)PpPn 3如反相器的传输延迟tph /和tplh传输延迟的定义:输入信号变化 50%I/dd到输出信 号变化到50%1/” 的时间。命名：从输出信号 的角度命名。tplh 是输出由低到高的 延迟，tphl是输出输入输出50%50%tplhtphl有高到底的延迟。上升时间和下降时间trtf上升时间：从10%VDD上升到90%Vdd的时间。90%Vdd下降到10%VDD的时间。上升下降时间统称迁移时间(Transition time)另 有定义为20%到80%.反相器矜验 *-反相器静态特性 option post=2 .option search =d:/hspice2011/libsH Jib “st02ib,1 tt * .param WX=1.5u ml y a vdd vdd mp w=WX 1=0.5u m2 y a gnd gnd rrin w=1.05u 1=0.5u vl vdd gnd 5 v2 a gnd 0dc v2 0 5 0.01 sweep WX poi 3 1.05u 2.65u 6.05u .end实验结果I050ChIw w Iw w I I IpO qqq qdVolta X din) (VOLTS)反相器的PN比PN比：一个设计中，反相器的P管“宽长比”与N管“宽长比” 之比，即(Wp/Lp)/(Wn/Ln)o PN比与工艺相关厂一般在1.5-3.最佳PN比”可采用以下方式两种方式之一确定(1)根据静态特性：使反相器的转换点电压为12/口(2)根据动态特性：使反相器的tplh和tphl相等。两种方法本应一致，但实际略有区别。典型情况LN=LP=L(min), PN比等价于P管和N管的宽度比。无偏斜PN比的计算典型工艺中Vthn yTHP由定义转换点处fIdn=】dp字(/$/* - v77/AT)2 = -(VDD - Vsp - Vthp2即 uC =LL C由于L一般都 巴二血奎 ”取最哲所实际电路的PN比 “最佳PN比”是根据速度确定的,使用该PN比时,P 管宽度较大，会导致面积和功耗增加.实际设计中,普通反相器的PN比小于“最佳PN比”, 一般约等于晨產P/V比的平方根.驱动时钟信号的反相器的PN比按保证上升、下降 延迟相等的“最佳PN比”设计.反相器的动态电流0 .XDOnfine (Lin) (TIME)输出电平 变化时才 有电流。注意走测 功耗要看 电源的电 流，不是 输入信号 源电流。反相器的动态功耗VDDTJinTi _njnCharge supplied when input is lowC M2Input-Ml充电平均电流平均功耗Charge removed when input is high_ Qc _ Dd c-pvg = yDD =y 负 fdk数字电路功耗的一般表达式P厂kV：DfCL由于一个复杂数字电路中只有一部分逻辑门在 时钟作用下发生状态变化，因此用平均开关行 为因子k修正。数字电路的琳与电源电压平方成正比宀频 率和负载电容成正比，减少k或是低功耗设计 手段。