第4章 第3讲 反相器设计.pptVIP

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 4.3.1 CMOS反相器的设计 4.3.2 NMOS反相器 CMOS反相器 CMOS 反相器的设计 完成能够实现设计要求的集成电路产品 设计要求： 功能 可靠性 速度 面积 功耗 1、反相器的可靠性 可靠性：噪声容限 2、反相器的速度 3、反相器的面积 减小器件的宽度可以减小面积 例如最小面积的要求可以采用最小尺寸的器件尺寸 利用面积的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程 4、反相器的功耗 增加器件宽长比会增加电容 电路速度增加也会提高功耗 电源电压的增加 功耗暂时不作为反相器设计的约束 反相器设计：综合 利用可靠性、速度和面积约束中的两个就可以得到一组Wp和Wn 对称反相器：对于NMOS和PMOS阈值基本相等的工艺，设计Kr＝1 对称反相器具有最大的噪声容限和相等的上升和下降延迟，在没有具体设计要求情况下是相对优化的设计 设计一个CMOS反相器，使最大噪声容限不小于0.44 VDD，且驱动1pF负载电容时上升、下降时间不大于10ns，设VDD = 5V，VTN = 0.8V，VTP = -1V，Cox = 4.6×10-8 F/cm2，μn = 500 cm2/Vs、μp = 200 cm2/Vs。 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 4.3.1 CMOS反相器的设计 4.3.2 NMOS反相器 CMOS和NMOS反相器结构比较 2个可控开关 开关 + 常导通负载 1、饱和负载NMOS反相器 饱和负载反相器的直流电压传输特性 饱和负载反相器的上升时间 饱和负载反相器的下降时间 2、电阻负载NMOS反相器 电阻负载反相器的VTC 电阻负载反相器的瞬态特性 CMOS和NMOS反相器直流特性比较 饱和负载 耗尽型负载 电阻负载 CMOS VOH VDD-VT VDD VDD VDD VOL Kr K1/K2 KE/KD VDDRLK1 KN/KP Kr=5 VOL= 0.53 0.1 0.63 0 Ion 直流电压传输特性比较 CMOS和NMOS反相器瞬态特性比较 上升,下降时间比较 负载电流比较 CMOS电路的优点 无比电路, 具有最大的逻辑摆幅 在低电平状态不存在直流导通电流 静态功耗低 直流噪声容限大 采用对称设计获得最佳性能 * * * * 反相器的设计变量包括NMOS和PMOS的宽度和长度 实际的设计变量就是NMOS和PMOS的宽度（Wp和Wn） V V in out 反相器的逻辑符号 噪声容限 反相器的平均延迟时间 噪声容限：逻辑阈值点 ? 把Vit做为允许的输入高电平和 低电平极限 ? VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit ? VNLM与VNHM中较小的 决定最大直流噪声容限 面向可靠性最优的设计目标，噪声容限最大就是使得Vit＝Vdd/2 在反相器的设计中通过器件尺寸的设计保持电路满足噪声容限的要求 利用噪声容限的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程 一般用反相器的平均延迟时间表示速度 也可以分别用上升和下降延迟时间表示 利用速度的设计要求可以得到Wp和Wn的一个方程 Polysilicon In Out V DD GND PMOS Metal 1 NMOS Contacts N Well 作业：1. 作业：2. 负载特性 2个增强型NMOS组成, M1是可控开关,驱动管, 负载管M2总是在饱和区 2. M1截止，M2饱和 ID1=ID2=0, Vout=VOH=VDD-VT 1. M1饱和，M2饱和 3. M1线性，M2饱和 要求Kr 1，有比电路 输出低电平时有直流电流 阈值损失 上升过程 归一化 下降过程 忽略M2的电流 归一化 Kr 》1 负载特性 一个多晶硅电阻做负载 2. M1截止 ID1=IR=0, Vout=VOH=VDD 1. M1饱和 3. M1线性 上升过程 下降过程, 忽略负载电流与CMOS反相器相同 1