数字集成电路_课件4.

第四章MOS反相器电路4.1电压传输特性4.2瞬态特性4.3电阻负载反相器的设计4.4NMOS晶体管作为负载器件4.5CMOS反相器4.6伪NMOS反相器4.7反相器的尺寸确定4.8三态反相器4.1电压传输特性反相器的理想电压传输特性（VTC）inoutVV增益4.1电压传输特性反相器的实际电压传输特性（VTC）4.1电压传输特性逻辑门的输入端噪声对输出端的影响4.2噪声容限的定义单源噪声容限（SSNM）与单个噪声源有关，对后面各级逻辑门都有影响衡量标准：单级反相器在后面各级都能恢复其正确值（即再生能力）时所能承受的最大噪声值反相器的单源噪声分析反相器链中的噪声传播图解法计算SSNMSSNMH=VOH-VSSSNML=VS-VOLVS为转换阈值多源噪声容限（MSNM）多源噪声容限（MSNM）无噪声系统的反相器输出方程式：加入噪声vn后，输出为输出函数的泰勒级数展开：)f(VVnin'out)f(VVinout333n222ninoutinoutinoutnin'outVVVVVVVfV用单位增益点定义的噪声容限NMH=VOH-VIHNML=VIL-VOL单位增益点：1inoutVV4.2: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瞬态特性下降时间瞬态特性(下降时间)反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)111212()()22()OHTOHfcVVfoutVOHToutTfOHTtttdVouttCkVVCVtkVV瞬态特性(下降时间)22222()()222()ln1()1ln()()OLOHTfCVfoutVVoutOHToutoutOHTfOHTOLnnntttdVouttCVkVVVCVVtkVVVdxxxabxaabx瞬态特性(下降时间)12out2()2ln1()()(),,C,fffoutOHTTfOHTOHTOLoutfOHTOHtttCVVVtkVVVVVCkVVV从中可以看到提高反相器响应速度减小增大k和上升时间瞬态特性(上升时间)上升时间,是对电容充电过程从10%----90%2110()()(),;,tVoutrouttVLLoutLDDLfrdVtdtCIVoutIVIVVtt式中取决于负载器件的特性在以后不同的负载电路中具体分析由于通过不同的路径放电和充电一般瞬态特性(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)1212()()2OHTOHpfpfpfVVpfoutVOHTtttdVouttCkVV1222()()2OHTVpfoutVVoutOHToutdVouttCVkVVV瞬态特性(下降延迟时间)12out4()2ln1()()()(),,C,pfpfpfoutOHTTpfOHTOHTOHOLoutfOHTOHtttCVVVtkVVVVVVCkVVV从中可以看到提高反相器响应速度减小增大k和瞬态特性(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要提高反相器的工作速度,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4.3电阻负载反相器的设计4.3电阻负载反相器的设计4.3电阻负载反相器的设计电压传输特性中的五个关键点：VOHVOLVIHVILVSDDOHVV)V(VkRVVTDDLDDOL1oxnCμLWkLLDDTIHkRkRVVV138LTILkRVV1LSDDCTSTSoxsatRVVLE)V(V)V(VCWν2电阻负载型MOS反相器的瞬态特性inL:MOSV2()2ln1()()()ROLOHoutOHTTfOHTOHTOLoutfOHTVVCVVVtkVVVVVCkVV下降时间管反相器的输入电压是从到理想方波基本与无关电阻负载型MOS反相器的瞬态特性outL4()2ln1()()()(),,C,RoutOHTTpfOHTOHTOHOLoutfOHTOHCVVVtkVVVVVVCkVVV下降延迟时间:从中可以看到提高反相器响应速度减小增大k和,下降延迟基本与无关电阻负载型MOS反向器的瞬态特性)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22:1():1:()2:2()1:()4pffoutononOHTprroutLponLoutDDavonLavpDCoutDDtCRRkVVtCRtRRCVpRRptCV假设下降延迟近似假设上升延迟近似平均延迟近似一个周期内平均静态功率平均静态功率延迟积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反相器设计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反相器设计22OL()2212()0VOLOLDDLOHTOLDDOLDDTOLLVVVkRVVVVVVVVkRkR解得值OL2V()2outoutDDLinToutVVVkRVVV电平的确定电阻负载反相器设计22:()22():2()1:OLoLDDLOHTOLDDOLLOHTOLOLILTLVVVkRVVVVVkRVVVVVVkR由式子得这是确定器件参数的基本式子然后可以求电阻负载反相器设计IH222V821:()()()03DDIHTIHTLLLVVVVVkRkRkR确定求方程LLDDTIHkRkRVVV138电阻负载反相器设计221:()2:()2:()2:()2outDinToutOLDOHTOLOLDinTOLOLoninTVIkVVVVIkVVVVIkVVVVRkVV导通电阻的设计进入非线性区得导通电阻为电阻负载反相器设计:4()2ln1()():()OHTTpffOHTOHOLoutfOHTVVVtVVVVCkVV下降延迟时间下降时间常数1)(2ln)(2:OLTOHTOHTffVVVVVVt下降时间电阻负载反相器设计outLrDDOLDDrprDDODDrrCRVVVVtVVVVt:)ln(:)ln(:211上升时间常数上升延迟时间上升时间)41()(:2fpLonrpDDoutpavttRRttVCtp总的延迟功率积例子:电阻负载反相器的设计例：对于一个如图所示的反相器，给定参数如下，确定其多源噪声容限。2μA/V430oxn'CμkV40.VT02.LW2V1DD.VkΩRL204.4NMOS晶体管作为负载器件LIL'I'loadinvertR(W/L)(W/L)(W/L)k(W/L)kkkKTLDDOHVVV)V(VVFFSBTTL220饱和增强型负载NMOS反相器饱和增强型负载NMOS反相器LCNTLoutDD2TLoutDDoxsatL2outoutTIinICNoutoxnIILE)VVV()VVV(CW]2VV)VV[(LEV1CLW]22[0)V(VVVVVFFOHTDDTLDDOH饱和增强型负载NMOS反相器例：计算饱和增强型负载NMOS反相器的输出高电平VOH。0.13µm工艺参数如下：2|ФF|=0.88V，γ=0.2V1/2，VT=0.4V，VDD=1.2V饱和增强型负载NMOS反相器缺点：输出高电平VOH不等于VDD功耗大（输出为低电平时，电路中存在直流通路）增强型MOS负载反相器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相同。驱动管:VDSD、VGSD、VTD、（W/L）D。负载管:VDSL、VGSL、VTL、（W/L）L。适当选择偏置，负载管可以工作在饱和与非饱和状态，分别称为饱和与非饱和增强型NMOS反相器增强型MOS负载反相器增强型MOS负载反相器驱动管与负载管在同一衬底上驱动管的源极与衬底电位相同，负载管的源极与衬底的电压VSBL=VOUT，从而引起负载管的偏置效应。使负载管阈值电压是VOUT的函数分别讨论两种情况：负载管饱和与非饱和饱和增强型MOS负载反相器22:::()2::()2GSLDSLDSLGSLTLLLGSLTLoutGSLDDoutDSDoutDLLDDDDSDTLoutVVVVVkIVVVVVVVVIIkIVVVV由图得自动满足饱和条件所以有又因为有所以得饱和增强型MOS负载反相器00:220,:()SBLoutTLoutTLTLoutFFTLSBLOHOHDDTLOHVVVVVVVVVVVVVV对于负载管的衬底偏压所以其阈值电压是的函数是时的阈值电压负载线与电压坐标轴的交点就是反相器最高输出电压为饱和增强型MOS负载反相器