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第四章 CMOS单元电路 4.1 反相器直流特性 * CMOS反相器 4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 4.3 CMOS反相器的设计 * CMOS Inverter 特点： Vin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 V V in out 反相器的逻辑符号 * Two Inverters Connect in Metal Share power and ground Abut cells 标准单元形式的门电路的版图设计 通过等高的设计共享电源和地线 通过邻接的设计减小面积 * CMOS反相器的直流特性 Vin=0，NMOS截止，PMOS导通， 稳态Vout= VDD ,“1”； Vin= VDD，NMOS导通，PMOS截止 , 稳态Vout=0； V in = V DD V DD V out = 0 V out = V DD V in = 0 V DD 反相器的工作特点： Vout=Vin； 稳态单管导通，没有直通电流 * 反相器中MOSFET的工作区域 V DD V V in out N-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation 缩写对照： N-S P-O N-O P-L N-S P-L N-S P-S N-L P-S N-L P-O N-O P-S Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin * 分析直流特性的出发点： 直流条件下没有输出电流 满足：IDN=IDP Voltage Transfer Characteristic(VTC) N-O P-L N-S P-L N-S P-S N-L P-S N-L P-O N-O P-S N-S P-O V DD V V in out * 1、反相器的VTC 1、 特点：N-O P-L 2、 特点： N-S P-L 比例因子 V DD V V in out Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin * 反相器VTC 3、 特点：N-S P-S 反相器的逻辑阈值电平（逻辑转折点） Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin * 反相器VTC 4、 特点：N-L P-S 5、 特点： N-L P-O CMOS反相器实现全摆幅 Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin * 器件参数对VTC的影响 反相器比例因子对直流特性的影响： 在VTN=-VTP前提下进行考虑， 以便简化问题； V DD V V in out * 器件参数对VTC的影响 NMOS、PMOS阈值电压的影响； 在Kr=1前提下进行考虑，以便简化问题 V DD V V in out * 3区的高度为两个阈值之和 Voltage Transfer Characteristic(VTC) V DD V V in out Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin * 实际CMOS反相器的VTC 对应Vit的输入, 输出不是一条垂直线 V DD V V in out * 直流转移特性 分段讨论Inverter的导通电流 1. Vin=VTN Ion=IDN=IDP=0， 2. VTNVinVout-|VTP| Ion=IDN=IDP UP 3. Vin=Vit Ion=Ipeak at Vin=Vit 4. Vout+VTNVinVDD-|VTP| Ion=IDN=IDP DOWN 5. VDD-|VTP|VinVDD Ion=IDN=IDP=0， * 2、反相器的直流噪声容限 数字电路中信号在Vdd和Gnd之间转换，各种干扰信号，可能使得电路中某些结点的信号电平偏离理想电平（Vdd，Gnd），产生所谓的噪声 噪声会对电路的可靠性造成影响 i ( t ) Inductive coupling Capacitive coupling Power and ground noise v