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微电子系统chap3p2
CHAPTURE THREE PART 2 3.2.2 瞬态特性 倒相器的瞬态特性是研究倒相器输入电压随时间变化时其输出电压的变化规律。 为了便于分析,通常令输入电压Vin(t)是一个幅度为VOH的理想方波,输出电压的高、低电平分别是VOH和VOL。 CMOS倒相器的瞬态特性 当倒相器输入电压在t1、t2时刻发生阶跃变化时,负载电容Cout,发生放电与充电 在放电时PMOS管截止,可写出电路方程: 当Vin=0,NMOS管截止时,电源VDD通过PMOS管对Cout充电。 在此期间,PMOS管也经历了饱和与非饱和两个工作区. 用相类似的方法可以求出上升时间: 当电路对称,即βN=βP和VTN=|VTP|时,输出电压波形的上升时间与下降时间相等。即: tf=tr 平均延迟时间 通常定义平均延迟时间: 若电路对称,N=P、VTN=|VTP|、VOH=VDD、VOL=0,则平均延迟时间是: 3.2.3功率时延积 通过前面的讨论已经 知道CMOS倒相器在稳 定工作状态时没有电流, 而只有在电路发生转换 时才通过电流. 当输入电压为周期性 方波时,通过倒相器的 电流波形如图所示。 3.3 CMOS传输门 CMOS传输门也是CMOS集成电路中的一种基本单元电路, 其电路结构与电路图符号如图所示。 在电路设计中,CMOS传输门最基本的用途是作为双向开关:导通电阻不超过数百欧姆;截止电阻却可达千兆欧姆以上。这时传输信号的损失很小,是一种很好的无触点开关。 在讨论CMOS传输门的特性前,我们先讨论NMOS及PMOS单管作为传输门的特点。 NMOS 传输门 设Cout的初始电压为零,晶体管的栅压VC=VDD使传输门导通,t=t0时输入端出现一个幅度为VDD的阶跃。 根据电流的流通方向,我们认定NMOS管与输入端相连的电极是漏极,与输出端相连的是源极。 再设Cout的初始电压为高电平(假设为VDD),晶体管的栅压VC=VDD使传输门导通,t=t1时输入端出现一个幅度由VDD到0V的阶跃。 根据电流的流通方向,我们认定NMOS管与输入端相连的电极是源极,与输出端相连的是漏极。 对于NMOS管有: VDSn=Vout-VIN =VDD VGSn=VDD-VIN=VDD = VDSn 因此NMOS管处于饱和工作状态。当Vout下降到VDD-VTn后转入非饱和状态,并维持此状态直到输出电压 Vout =0V。 NMOS单管传输门对于低电平的输送无损耗。 PMOS 传输门 PMOS 传输门与NMOS 传输门的特性是对称的: PMOS单管传输门对于高电平的输送无损耗。 PMOS单管传输门对于低电平的输送有损耗。 CMOS传输门特性分析 设Cout的初始电压为零,晶体管的栅压使传输门导通,t=t0时输入端出现一个幅度为VDD的阶跃。 对于NMOS管在输入阶跃电压一出现就导通并处于饱和工作状态。在输出电压上升到: Vout=VDD-VTn 时VGSn降至它的阈值电压VTn而达到截止状态。 对于PMOS管栅源电压在输入阶跃电压到来后一直保持不变。开始时晶体管处于饱和状态,当输出电压增大到|VTp|后,晶体管输入非饱和状态,输入电压一直可增大至VDD。 * * CMOS倒相器瞬态特性 (a)放电过程 (b)充电过程 由于PMOS管截止,IDP=0,所以: 输出电压Vout从VOH下降到VOL期间,NMOS管经历了饱和与非饱和两个工作区,分别对应tf1和tf2。根据饱和与非饱和区的晶体管电流方程,有: 利用积分表,可求得下降时间tf 式中 式中 根据下降延迟时间和上升延迟时间的定义,可以求得: 在一个周期内的平均电流: 式中IDNf和IDNr分别是下降与上升期间倒相器中流过的平均电流,即: 在数字电路中,功率延时积是一项十分重要的特性指标,其计算公式是: Pav·tp=Iav·VDD·tp 当倒相器完全对称时,即IDNf=IDNr=IDN,有: 式中 : fmax表示倒相器最高允许的工作频率。 当工作频率远小于fmax时,倒相器有良好的功率时延特性;但当f增大时,Pavtp也增大,倒相器性能严重变坏。 对于NMOS管有: VDSn=VIN-Vout =VDD-Vout VGSn=VDD-Vout=VDSn 因此NMOS管在输入阶跃电压一出现就导通并处于饱和工作状态。 在输出电压上升到:Vout=VDD-VTn 时,
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