L04_L05_CMOS反相器_598908677

数字大规模集成电路——第4节CMOS反相器TheCMOSInverter（第5章）麦宋平清华大学深圳研究生院[e-mail]2012年秋季学期复习：速度饱和和经典饱和随着VD的提高0VVV可能首先进入速度饱和……0,DSTGSVVV（1）线性LVVLVVVTGSDSCTGS,（3）速度饱和入速度饱和（3）速度饱和也可能首先进入经典饱和VVVDSTGS0,取决于VDS先超过LVVLVLVTGSDSCDSDSTGS,CDSTGSTGSLVLVVVV,（3’）经典饱和LVVTGS取决于LDS先超过C还是2（2）线性（3’）经典饱和L复习：用于手工分析的通用MOS模型GSDBLVVTGS实际上是在比较：LVDS，CDSATLV和哪个更小3复习：MOS晶体管电容模型GGCGS=CGSO+CGCSCGD=CGDO+CGCDDCGDCGSDSCSBCDBCGBCSB=CSdiffCDB=CDdiffBCGB=CGCBSBSdiff4本章提纲1.引言1.引言2.静态特性分析3.动态特性分析4功耗分析与低功耗设计4.功耗分析与低功耗设计5.总结5一、引言：CMOS反相器的电路和版图VDDNWellPMOSSSContactsDDPolysiliconInOutMetal1DPolysiliconSSDGNDNMOS（）电路6（a）电路（b）版图一、引言：两个CMOS反相器级连用金属连接享共享电源和地线7一、引言：CMOS反相器的工艺版图cutlinepwell8一、引言：设计规则设计规则（DesignRule）电路设计者与工艺工程师之间的接口电路设计者与工艺工程师之间的接口制造掩模的指南制造掩模的指南最基本要素：最小线宽9一、引言：CMOS工艺层LClRttiLayerWell(p,n)ColorRepresentationYellowllActiveArea(n+,p+)GreenSelect(p+,n+)GreenPolysiliconMetal1Metal2RedBlueMagentaMetal2ContactToPolyContactToDiffusionMagentaBlackBlackViaBlackBlack10一、引言：层内规则DifferentPotentialSamePotential90WellPolysilicon2SamePotentialor1032Mtl136Active3Metal133ContactorVia2HoleMetal2432Select2Hole311一、引言：层间规则（晶体管）晶体管12一、引言：层间规则通孔（Via）：不同金属层之间的连通2接触孔（Contact）：非金属层与其他层之间的连通1Via1541MetaltoPolyContactMetaltoActiveContact5322ActiveContact322213一、引言：选择（注入）层2Select3123133255WellSubstrate14一、引言：版图编辑器15一、引言：设计规则检查（DRC）DRCDRC：DesignRuleCheckgpoly_not_fettoall_diffminimumspacing=0.14um.由专门的设计规则检查由专门的设计规则检查工具软件完成16一、引言：版图交付GDSII文件：描述设计中组成各层的多边形及其在中的（）在版图中的位置。（可以层次化）ttGDSII版图（一套掩模）tapeoutdi设计室代工厂foundrydesignhouse设计规则17一、引言：棍棒图3VDD棍棒图（Stickdiagram）：InOut一种只有拓扑结构而没有维度的简化表示形式1维度的简化表示形式GNDStickdiagramofinverter18g一、引言：CMOS反相器静态特性的开关模型VDDVDDRpVVVout=VDDVoutRRn=GNDVin=VDDVin=019一、引言：CMOS反相器动态特性的开关模型VDDVDDRp=VDDVoutVoutVoutoutRnCLCLRnVV=GNDVin=VDDVin=0(a)由低至高(b)由高至低20一、引言：PMOS输出特性曲线的坐标变换将PMOS的I-V特性曲线的坐标(VGSp为控制电压、VDSp为X轴、IDp为Y轴)调整为以Vin为控制电压、Vout为X轴Dp)以inoutIDn为Y轴的坐标体系，以便于同NMOS的I-V的坐标一致：IDp=–IDn，VDSp=Vout–VDDVGSp=Vin–VDD，IDpIDnVin=0V=15IDnVin=0Vi=1.5VDSpVDSpVin=1.5VoutVin1.5pVGSp=-2.5VGSp=-1pVV+VIDn=-IDp21Vin=VDD+VGSpVout=VDD+VDSp一、引言：NMOS和PMOS的输出特性曲线INMOSPMOSIDnVin=2.5VVin=0Vin=2.0VVin=0.5VV=10VVin=1.5VVin=1.0VV=0Vin=0.5VVin=1.0VVin=1.5VVin=2.0VVoutVin=0Vin=2.5V小黑点的横坐标代表了输入电压为V时的输出电压值V22小黑点的横坐标代表了输入电压为Vin时的输出电压值Vout一、引言：CMOS反相器的VTCVoutNMOS截止PMOS线性电压传输特性曲线2.5PMOS线性NMOS饱和PMOS线性52NMOS饱和11.5NMOS饱和PMOS饱和线性0.5NMOS线性NMOS线性PMOS饱和Vin0.511.522.5NMOS线性PMOS截止23VILVMVIH增益g与Vin的关系一、引言：标称电平和开关阈值逻辑门的电路功能可以用它的VTC加以描述V=f(V)V(y)VOH=f(VOL)VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)VOHfV(y)=V(x)VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)M(M)VM开关阈值（SwitchingThreshold）M(M)VOLV(x)VOHVOL标称电平（NominalVoltageLevels）24标称电平（NominalVoltageLevels）反相器的电压传输特性一、引言：模拟与数字信号间的映射Vot逻辑电平映射至电压范围Slope=-1VOHVoutVIHVOH“1”IH未定义区域Slope1V未定义区域Slope=-1VOL“0”VOLVILVILVIHVinOL电逻辑电系定25电压和逻辑电平的关系VIL和VIH的定义一、引言：噪声容限（NoiseMargins）1高电平噪声容限(Noisemarginhigh)VIHVOHNMHVIHV未定义区域VIL0VOLNML低电平噪声容限(Noisemarginlow)0前级门输出后级门输入串连的反相器门噪声容限的定义26串连的反相器门：噪声容限的定义一、引言：再生性v0v1v2v3v4v5v6反相器链当第一级的输入偏离额定电平时，后面各级能否逐渐收敛回到正确的否逐渐收敛回到正确的电平？模拟得到的响应再生性27再生性一、引言：再生性反相器链v0v1v2v3v4v5v6V1V1奇数偶数数级数级V0V228V0V2一、引言：再生性可再生的不可再生的具有再生性的条件过渡区增益的绝对值大于29具有再生性的条件：过渡区增益的绝对值大于1一、引言：稳定性绝对的噪声容限不能完全表明电路的稳定定性有的噪声水平与噪声容限（摆幅）成正比各种噪声源的噪声会叠加、累积对噪声源的抑制能力更加重要系统在噪声存在的情况下正确处理和传递信息系统在噪声存在的情况下正确处理和传递信息的能力关键指标:噪声传输函数（Noisetransfer关键指标:噪声传输函数（Noisetransferfunctions）、驱动电路的输出阻抗和接收电路的输入阻抗30一、引言：扇入和扇出NMFan-outNFan-inM扇出系数：输出端连接同类门的最多扇入系数：单个逻辑门能够接受的数31输出端连接同类门的最多个数单个逻辑门能够接受的数字信号输入最大量一、引言：理想门特性VoutRi=R0Ro=0Fanout=g=NMH=NML=VDD/2g=Vin理想的电压传输特性理想的电压传输特性静态CMOS反相器的VTC和理想的VTC很接近32静态CMOS反相器的VTC和理想的VTC很接近一、引言：早期的反相器20世纪70年代NMOS的VTC5.020世纪70年代，NMOS的VTC4.0V   = 3.5VOHNM   = 0.21VL3.0Vout(V)V=164VM2.0NM    = 1.15VHV   = 1.64VM1.0V=045V001020304050V  = 0.45VOL33Vin(V)0.01.02.03.04.05.0一、引言：静态CMOS反相器的特点1、输出高电平和低电平分别为VDD和GND。信号电压摆幅等于电源电压噪声容限很大幅等于电源电压，噪声容限很大。CMOS反相器VVVGND噪声容限大伪NMOS反相器VVVGND噪声容限小34VOH=VDD，VOL=GND，噪声容限大VOH=VDD，VOLGND，噪声容限小一、引言：静态CMOS反相器的特点2、无比逻辑逻辑电平与器件尺寸无关晶体管可采用最小尺寸逻辑电平与器件尺寸无关，晶体管可采用最小尺寸。电路翻转时，不会因为尺寸设计的原因而出现翻转错误。VVDDM4M2时钟控制RS触发器QQM2时钟控制触发器输出的逻辑电平为VDD和GNDClkClkM1M3M6M8需要合理设计M5、M6相对于M2的尺寸M7、M8相对于M4SRM5M7M2的尺寸，M7、M8相对于M4的尺寸，否则电路翻转会出现错误，因此该电路属于有比逻辑！35辑！一、引言：静态CMOS反相器的特点3、具有低输出阻抗稳态时在输出和VDD或GND之间总存在一条具有有限电阻的通路对噪声和干扰不敏感阻的通路，对噪声和干扰不敏感。在稳态时相的在CLK1的稳态下锁存器的X端在稳态时，CMOS反相器的Out端不是通过PMOS接VDD,就是通过NMOS接GND。输出电在CLK=1的稳态下，锁存器的X端既不接VDD,又不接GND。此时，X点浮空，输出电阻极大，对噪声36阻小，对噪声和干扰不敏感。和干扰非常敏感。一、引言：静态CMOS反相器的特点4、输入电阻极高不消耗直流输入电流高阻节点X理论上可以驱动无限多个门举例：三管DRAM单元高阻节点举例管单元WWL＝1，事先放在BL1上的数据通过M1写到节点的数据通过1写到节点X上，即存储在电容CS上。然后WWL＝0；RWL=1，节点X的状态通过M2和M3管读出到BL2上。然后RWL=0；由于M2栅极的输入电阻极高，因此在读出X点数据时并不会产生电荷的流动举例说明MOS管栅极37时并不会产生电荷的流动，因此不会减少CS上存储的电荷。输入电阻高的优点一、引言：静态CMOS反相器的特点5、不考虑泄漏功耗的情况下，没有静态功耗稳态工作情况下，电源和地之间没有直接通路。稳态工作情况下，电源和地之间没有直接通路。1CMOS反相器在稳态工作情况下，电源和地之间没有通路，因此没有静态功耗。伪NMOS反相器在稳态工作情况下，电源和地之间有时(Vin=1时)存在直接通路，因此静态功耗很大。38因此没有静态功耗。接通路，因此静态功耗很大。一、引言：静态CMOS反相器的特点CMOS工艺以静态功耗低的巨大优势，成功取39低的巨大优势，成功取代了NMOS工艺一、引言：静态CMOS反相器的特点小结输出信号电压摆幅大，噪声容限大无比逻辑，稳定性高输出阻抗低输出阻抗低输入电阻高静态功耗几乎为零40一、引言：思考题一该电路能够实现什么功能？该电路能够实现什么功能？它能够实现反相的功能吗？（请从静态特性入手分析）（请从静态特性入手分析）该电路可能会用在什么地方？该电路可能会用在什么方例如，从考虑电路功耗入手41讲课进度1.引言