第三讲反相器

TJIC1电路设计一个优秀的科学家是一个富有原创思想的人，一个优秀的工程师是使他得设计需要尽可能少的原创思想就能实现的人。—FreemanDysonTJIC2第三讲CMOS反相器天津大学电子科学与技术系史再峰[e-mail]3/求木之长者,必固其根本;欲流之远者,必浚其泉源;思国之安者,必积其德义学VLSI设计者,必学好反相器4/静态CMOS反相器综述VDDVoutCLVin5/CMOS反相器的工作模式VDDRnVout=0Vin=VDDVDDRpVout=1Vin=0VOL=0VOH=VDDVM=f(Rn,Rp)VDDVoutVin6/二、CMOS静态特性输出摆幅等于电源电压即高电平为VDD，低电平为GND，噪声容限大。逻辑电平与器件尺寸无关，所以晶体管可以采用最小尺寸，属于无比例逻辑。稳态时输出与VDD或者GND之间总存在一条有限的电阻通路。输入阻抗很高，理论上，单个反相器可以驱动无数个门。稳态时候，电源和地之间没有直接的通路，没有电流存在（忽略漏电流），即该门电路不消耗任何静态功耗。7/SMICLogic18反相器单元INV8/9/回顾NMOS短沟道器件的I-V特性00.511.522.500.511.522.5VDS(V)X10-4VGS=1.0VVGS=1.5VVGS=2.0VVGS=2.5VNMOS晶体管,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=0.4V10/回顾PMOS短沟道器件的I-V特性-1-0.8-0.6-0.4-0.200-1-2VDS(V)X10-4VGS=-1.0VVGS=-1.5VVGS=-2.0VVGS=-2.5VPMOS,0.25um,Ld=0.25um,W/L=1.5,VDD=2.5V,VT=-0.4V11/PMOSI-V曲线转换到普通坐标系IDSp=-IDSnVGSn=Vin;VGSp=Vin-VDDVDSn=Vout;VDSp=Vout-VDDVoutIDnVGSp=-2.5VGSp=-1沿x-轴镜像Vin=VDD+VGSpIDn=-IDpVin=1.5Vin=0Vin=1.5Vin=0水平移位Vout=VDD+VDSp12/CMOS反相器的负载曲线00.511.522.500.511.522.5Vout(V)X10-4Vin=1.0VVin=1.5VVin=2.0VVin=2.5V0.25um,W/Ln=1.5,W/Lp=4.5,VDD=2.5V,VTn=0.4V,VTp=-0.4VVin=0VVin=0.5VVin=1.0VVin=1.5VVin=0.5VVin=2.0VVin=2.5VVin=2VVin=1.5VVin=1VVin=0.5VVin=0VPMOSNMOS13/CMOSInverter电压传输曲线00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)NMOS截止PMOS线形NMOS饱和PMOS线形NMOS饱和PMOS饱和NMOSresPMOSsatNMOSresPMOSoff14/CMOSInverter的动态开关模型VDDRnVoutCLVin=VDDVDDRpVoutCLVin=015/三、开关阈值VM开关阈值VM定义为Vin=Vout的点(PMOS和NMOS都处于饱和区，因为VDS=VGS)VMrVDD/(1+r)，r=kpVDSATp/knVDSATn开关阈值取决于比值r,它是PMOS与NMOS的相对驱动强度比VM=VDD/2必须要r116/开关阈值计算举例(W/L)p115x10-60.63(1.25–0.43–0.63/2)(W/L)n-30x10-6-1.0(1.25–0.4–1.0/2)=xx=3.5VT0(V)(V0.5)VDSAT(V)k’(A/V2)(V-1)NMOS0.430.40.63115x10-60.06PMOS-0.4-0.4-1-30x10-6-0.10.25umCMOS工艺,VDD=2.5V,NMOS最小尺寸为((W/L)n是1.517/VM仿真的结果0.80.911.11.21.31.41.50110VM相对于器件尺寸比值不敏感比值是3,2.5，2时，VM分别为1.22V,1.18V,1.13V增大Wp会使VM移向VDD增大Wn使VM移向GND18/噪声容限由VIH和VIL决定0123VILVIHVinVOH=VDDVM根据定于,VIH和VIL是增益dVout/dVin=-1的点VOL=GNDVTC的逐段线性近似NMH=VDD-VIHNML=VIL-GND近似为：VIH=VM-VM/gVIL=VM+(VDD-VM)/g所以过渡区需要高的增益19/CMOSInverterVTC的仿真图形00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)0.25um,(W/L)p/(W/L)n=3.4(W/L)n=1.5(minsize)VDD=2.5VVM1.25V,g=-27.5VIL=1.2V,VIH=1.3VNML=NMH=1.2(实际仿真值VIL=1.03V,VIH=1.45VNML=1.03V，NMH=1.05V)输出阻抗低阻抗=2.4k高阻抗=3.3k20/电压增益的仿真图-18-16-14-12-10-8-6-4-2000.511.52Vin最大增益处Vin=VM(1+r)g----------------------------------(VM-VTn-VDSATn/2)(n-p)增益由工艺参数特别是沟道长度调制参数()影响.设计者只能调整supplyvoltage和VM（晶体管尺寸）.21/器件参数变化对VTC的影响00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)正常情形好的PMOS差的NMOS差的PMOS好的NMOS工艺的不确定引起开关阈值的平移“好”的MOS管沟道较短、较宽栅氧较薄、器件阈值较低22/降低电源电压00.511.522.500.511.522.5Vin(V)Vout(V)器件的阈值电压假定不变，亚阈值时候仍可以工作00.050.10.150.200.050.10.150.2Vin(V)Vout(V)Gain=-123/第一次作业及实验作业完成时间截止到4月11日上课之前安装HSPICE2002.5之后的版本，软件自备自由组合，每组2-3人,亦可独立完成各组之内合理分工，团队合作完成一份实验报告及工作报告实验报告要求用专门的实验报告纸书写，工作报告中注明各人的分工及工作完成情况更推荐使用国产EDA软件华大九天,需要者请与老师联系内容：学习使用HSPICE软件进行反相器的设计和优化，设计3款以上的反相器基本的网表描述语法,激励加入方法采用tsmc0.25um/smic0.18um工艺进行仿真，工艺参数邮件通知或者从讨论区获得基本的仿真分析DC,AC,Trans,报告中须详细说明网表\激励\分析等内容作业以试验报告形式上交,电子版由班长收起后发email使用国产软件者成绩加5分24/反相器的寄生电容25/瞬态响应模拟时的输出过冲，是因为反相器的栅漏电容造成的