cmos反相器

静态CMOS反相器主要内容•直观综述•静态特性•动态特性•功耗，能量和能量延时一静态CMOS反相器——直观综述VinVoutCLVDD图1静态CMOS反相器，VDD代表电源电压VDDVDDVin＝VDDVin＝0VoutVoutRnRp图2CMOS反相器开关模型(a)(b)IDnVoutVin=2.5Vin=2Vin=1.5Vin=0Vin=0.5Vin=1NMOSVin=0Vin=0.5Vin=1Vin=1.5Vin=2Vin=2.5Vin=1Vin=1.5PMOS图3静态CMOS反相器中NMOS和PMOS管的负载曲线（Vdd=2.5V）二CMOS反相器稳定性的评估——静态特性•开关阈值开关阈值Vm定义为Vin=Vout的点，其值由VTC与直线Vin=Vout的交点求得，见图4。VoutVin0.511.522.50.511.522.5NMOSresPMOSoffNMOSsatPMOSsatNMOSoffPMOSresNMOSsatPMOSresNMOSresPMOSsat图4由图3推导出的CMOS反相器的VTC•噪声容限VOHVOLVinVoutVMVILVIH图5对VTC进行逐段线形近似简化了Vil和Vih的推导VIH和VIL是dVout/dVin=-1时反相器的工作点静态CMOS反相器的中点增益求导并求解dVout/dVin得到：忽略某些二次项并令Vin=VM,得到下面增益表达式：•稳定性器件参数变化00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)好的PMOS坏的NMOS好的NMOS坏的PMOSNominal器件参数变化对静态CMOS反相器VCT的影响图6三CMOS反相器的性能：动态特性图7影响一对串联反相器动态特性的寄生电容四功耗，能量和能量延时•动态功耗•静态功耗•由冲放电电容引起的动态功耗图8由低至高翻转期间的等效电路翻转期间从电源中取得的能量值EVDD如下所示：翻转结束时在电容上存储的能量EC如下所示：在由低至高翻转期间CL被充以电荷CLVDD。提供这些电荷需要从电源得到等于CLVDD2的能量。存放在电容中的能量等于CLVDD2/2.图9在Cl充放电期间的输出电压和电源电流•直流通路电流引起的功耗图10过渡期间的短路电流输入信号不为无穷大的斜率造成了开关过程中的VDD和GND之间在短期内出现一条直流通路，此时NMOS和PMOS管同时导通。在假设所形成的电流脉冲可近似成三角形及反相器的上升和下降响应是对称的条件下，可以计算每个开关周期消耗的能量如下：计算平均功耗为：（a）大电容负载（b）小电容负载图11负载电容对短路电流的影响图12CMOS反相器通过NMOS晶体管的短路电流与负载电容的关系（输入斜率固定为500ps）•静态功耗图13CMOS反相器中泄漏电流的来源（Vin=0V）图14VGS＝0时降低阈值会使亚阈值电流增加小结•静态CMOS反相器把一个上拉的PMOS器件和一个下拉的NMOS器件组合在一起。•该门具有几乎理想的电压传输特性。•它的传输延时主要由充放电负载电容CL所需要的时间决定。使负载电容保持较小是实现高性能电路的最有效手段。•功耗主要是由在充电和放电负载电容时消耗的动态功耗决定的。•是工艺尺寸变小是减小一个门的面积，传播延时以及功耗的有效手段。•互连线的影响将在总延时和总性能中逐渐占有更大的比例。