第七章MOS 反相器

第7章MOS反相器MOS反相器的分类静态反相器动态反相器E/E反相器E/D反相器CMOS反相器有比反相器无比反相器7.1MOS反相器7.1.1电阻负载NMOS反相器1.结构和工作原理VOH=VDDVi为低电平VOL时，MI截止Vi为高电平VOH时，MI非饱和(VDD–VOL)/RL=KI[2(VOH-VTI)VOL-VOL2]ViVoRLVDDMIVOLVDD1+2KIRL(VOHVTI)其中:KI=WL()oxo2tox2.电压传输特性曲线的推导3.基本特性RL若小：VOL高，功耗大，tr小;W/L若小(即KI小)：VOL高，功耗小，tf大。ViVoRLVDDMNRL减小VILVIHVOHVOLVoVi0VOLVDD1+2KIRL(VOHVTI)7.1.2E/E饱和负载NMOS反相器1.结构和工作原理ViVoVDDMLMIVOH=VDDVTLVi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和KL(VDD-VOL-VTL)2=KI[2(VOH-VTI)VO-VO2]其中：R=KIKL=(W/L)I(W/L)LVOL(VDDVTL)22R(VOHVTI)有比电路下降时间tf的分析上升时间tr的分析2.饱和负载NMOS反相器瞬态特性分析ViVoVDDMLMI3.饱和负载NMOS反相器单元特点ViVoVDDMLMIVoViR减小(KI/KL)(1)VOH比电源电压VDD低一个阈值电压Vt（有衬底偏值效应）；(3)ML和MI的宽长比分别影响tr和tf。(4)上升过程由于负载管逐渐接近截止，tr较大。(2)VOL与R有关，为有比电路；ViVDDVo饱和型负载NMOS反相器MEML预充偏置管MB自举电容CBselfloading自举电路MBCB7.1.3自举负载NMOS反相器1.结构和自举原理1.结构和自举原理(续)初始状态：VI=VOH，Vo=VOLMB、ML饱和、ME非饱和VOL(VDDVTBVTL)22R(VOHVTE)其中：R=KEKL=(W/L)E(W/L)L有比电路ViVoVDDMBMEMLCBVGLVGL=VDDVTB1.结构和自举原理(续)自举过程：Vi变为VOL,ME截止,Vo上升，VGL随Vo上升(电容自举)，MB截止,ML逐渐由饱和进入非饱和导通，上升速度加快。自举结果：tr缩短，VOH可达到VDD。ViVoVDDMBMEMLCBVGL2.寄生电容与自举率VGLCO=VGSLCBVGL=VGSL+VoVGL=Vo=1+Co/CB1自举率定义：CO由于寄生电容CO的存在：应尽可能较小寄生电容Co，使达到80%以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGL3.漏电与上拉自举电路中的漏电，会使自举电位VGL下降(尤其是低频)，最低可降到：VGL=VDDVTB，因而ML变为饱和导通，输出VOH降低：VOH=VDDVTBVTL为了提高输出高电平，加入上拉元件MA(或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMA7.2E/DNMOS反相器1.结构和工作原理ViVoVDDMDMEVOH=VDDVi为VOL时，ME截止，MD非饱和MD为耗尽型器件，VTD0，ME为增强型器件，VTE0，1.结构和工作原理（续）ViVoVDDMDMEKE[2(VOH-VTE)VOL-VOL2]KD(0-VTD)2=VOLVTD22R(VOHVTE)其中：R=KEKD=(W/L)E(W/L)L有比电路（近似于无比电路）Vi为VOH时，ME非饱和，MD饱和2.E/DNMOS反相器单元特点(1)VOH可达到电源电压VDD(2)VOL与R有关，但是VTD是关键的因素，近似于无比电路。(3)上升过程由于负载管由饱和逐渐进入非饱和，tr缩短，速度快。ViVoVDDMDME习题有一个E/DNMOS反相器，若VTE=2V，VTD=-2V，βR=25，VDD=5V。求此反相器的逻辑电平是多少？7.3CMOS反相器所谓CMOS(ComplementaryMOS)，是在集成电路设计中，同时采用两种MOS器件：NMOS和PMOS。CMOS电路及其技术已成为当今集成电路，尤其是大规模电路、超大规模集成电路的主流技术。CMOS结构的主要优点是电路的静态功耗非常小，电路结构简单、规则，使得它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路下图为CMOS结构的剖面示意图，为了能在同一硅材料(Wafer)上制作两种不同类型的MOS器件，必须构造两种不同类型的衬底，图中所示结构是在N型硅衬底上，专门制作一块P型区域(p阱)作为NMOS的衬底的方法。同样地，也可在P型硅衬底上专门制作一块N型区域(n阱)，作为PMOS的衬底。为防止源/漏区与衬底出现正偏置，通常P型衬底应接电路中最低的电位，N型衬底应接电路中最高的电位。CMOS反相器CMOSInverterVDDGNDInputOutputVDDVVinouttVin作为PMOS和NMOS的共栅极；Vout作为共漏极；VDD作为PMOS的源极和体端；GND作为NMOS的源极和体端VVinout反相器的逻辑符号CMOS逻辑电路的特点（1）静态功耗极低（WnW）（2）工作电源电压范围宽。（3）抗干扰能力强，其直流噪声容限一般可达到30%40%VDD。（4）逻辑摆幅大（VssVDD）。（5）输入阻抗高（1081010）。（6）扇出能力强。（扇出因子N0可达50，但随着所带电路数目的增多，工作速度有所下降）。动态功耗与工作频率密切相关（P动=CLfVDD2）。7.3.1CMOS反相器的直流特性CMOS反相器是CMOS门电路中最基本的逻辑部件，大多数的逻辑门电路均可通过等效反相器进行基本设计，再通过适当的变换，完成最终的逻辑门电路中具体晶体管尺寸的计算。所以，基本反相器的设计是逻辑部件设计的基础。CMOS反相器的电路构成，是由一个增强型n沟MOS管作为输入管和由一个增强型p沟MOS管作为负载管，且两栅极短接作为输入端，两漏极短接作为输出端，N管源极接地，P管源极接电源电压VDD，这就构成了两管功能上的互补。一、CMOS反相器的工作原理ViVoVDDMPMNVi为VOL时，MN截止，MP非饱和-Kp[2(VOL-VDD-VTP)(VOH-VDD)–(VOH-VDD)2]=0VOH=VDDVi为VOH时，MN非饱和，MP截止Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2]=0VOL=0无比电路VOH-VOL=VDD最大逻辑摆幅，且输出摆幅与p管、n管W/L无关（无比电路）。CMOS反相器的等效电路图Vi为高电平时：Tn导通，Tp截止，VOL=0Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，VOH=VddViVoTpTnIpInVdd二、CMOS反相器电压传输特性VTCReview:ShortChannelI-VPlot(NMOS)NMOStransistor,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4VVDS(V)Lineardependence00.511.522.500.511.522.5VGS=2.5VVGS=1.5VVGS=1.0VVGS=2.0VID(A)X10-4Review:ShortChannelI-VPlot(PMOS)PMOStransistor,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=-0.4V-1-0.8-0.6-0.4-0.20X10-40-1-2VDS(V)ID(A)VGS=2.5VVGS=1.0V----GSV=2.0VVGS=1.5V变换PMOSI-V曲线IDSp=-IDSnVGSn=Vin;VGSp=Vin-VDDVDSn=Vout;VDSp=Vout-VDDVoutIDnVGSp=-2.5VGSp=-1Mirroraroundx-axisVin=1.5Vin=0Vin=1.5Vin=0Horiz.shiftoverVDDVout=VDD+VDSp使Vin,Vout,和IDn在同一个坐标系X10-4Vout(V)00.511.522.5Vin=1.0VVin=1.5VVin=2.0VVin=2.5VVin=0.5VNMOSVin=0VVin=0.5VVin=1.0VVinVin=2.0VPMOS=1.5V0.5011.522.5IDn(A)CMOSInverterLoadLines0.25um,W/Ln=1.5,W/Lp=4.5,VDD=2.5V,VTn=0.4V,VTp=-0.4VVin=2.5VVin=2VVin=1.5VVin=1VVin=0.5VVin=0V00.511.522.500.511.522.5CMOS反相器电压传输特性VTCVin(V)Vout(V)abcdef三、CMOS反相器中的工作区的划分CMOS反相器中的器件工作状态表ViVoVDDMPMN截止非饱和VDD+VTPViVDD饱和非饱和VO+VTNViVDD+VTP饱和饱和VO+VTPViVO+VTN非饱和饱和VTNViVO+VTP非饱和截止0ViVTNP管N管输入电压范围00.511.522.500.511.522.5CMOS反相器电压传输特性VTCVin(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abcdef四、CMOS反相器VTC分析0≤ViVTN时：N管截止P管线性（ViVtnVo+Vtp）P管无损地将Vdd传送到输出端：Vo=Vdd。VTN≤ViVo+VTP时：N管饱和P管线性由In=-Ip得：22noitppKVVVitnitpddKVVVVVVo+Vtp≤Vi≤Vo+Vtn时：N管饱和P管饱和由In=-Ip得：Vo与Vi无关(Vo与Vi的关系为一条垂直线)，称为CMOS反相器的阈值电压Vth，或转换电压。Vo+VtnVi≤Vdd+Vtp时：N管线性P管饱和由In=-Ip得：Vdd+VtpVi≤Vdd时：N管线性，P管截止，则Vo=0。/1/ntnpddtpddnptntpinpnpKVKVVVKKVVVKKKK22()poitnitnitpddnKVVVVVVVVK直流导通电流Ion随Vin的变化而发生的变化VTC的输出高/低电平区：Ion=0VTC的转变区：Ion≠0Vin=Vit时，Ion达到最大值：22peakNitTNPitTPDDIKVVKVVVVout(V)/1/ntnpddtpddnptntpinpnpKVKVVVKKVVVKKKK22()poitnitnitpddnKVVVVVVVVK22noitppKVVVitnitpddKVVVVV2区：3区（阈值电压）4区：五、CMOS反相器版图（Layout）VDDGNDNMOS(2/.24=8/1)PMOS(4/.24=16/1)metal2metal1polysiliconInOutmetal1-polyviametal2-metal1viametal1-diffviapdiffndiff六、CMOS反相器的优点传输特性理想，过渡区比较陡逻辑摆幅大：VOH=Vdd,VOL=0一般转折点电压VI*位于电源Vdd的中点，即Vth=Vdd/2，因此噪声容限很大。只有在状态转换过程中两管才同时导通，才有电流通过，因此功耗很小。CMOS反相器是利用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Vol足够低而确定p、n管的尺寸，因此CMOS反相器是无比（Ratio-Less）电路。7.3.2直流噪声容限CMOS反相器噪声容限：高电平噪声容限：高电平噪声容限表征被驱动级输入高电平时的抗干扰能力；低电平噪声容限：低电平噪声容限表征被驱动级输入低电平时的抗干扰能力。直流噪声容限：