MOS反相器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1MOS反相器反相器20 K (VGS-VT)2 K 2(VGS-VT) VDS-VDS2 K=K (WL)K= Cox2Cox= ox otox VT VBS2q si oNBCox =IDS=NMOS:截止截止飽和飽和非飽和非飽和NMOS PMOS 增強型增強型 耗盡型耗盡型 四端器件四端器件襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)：溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)(短溝效應(yīng)短溝效應(yīng)): =L1 Xd VDS第1頁/共36頁3VOH=VDD(VDDVOH)/RL=0Vi為低電平為低電平VOL時，時，MI截止截止Vi為高電平為高電平VOH時，時，MI非飽和非飽和(VDDVOL ) /RL =KI 2(

2、VOH -VTI)VOL-VOL2 ViVoRLVDDMI VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)其中其中:KI=WL( )ox o2tox第2頁/共36頁4RL若?。喝粜。篤OL高高，功耗大，功耗大， tr小小;W/L若小若小(即即KI小小)：VOL高，功高，功耗小耗小,，tf大。大。ViVoRLVDDMNRL減小VILVIHVOHVOLVoVi0 VOL VDD 1+2KI RL(VOH VTI)0VitVDD0VotVDD第3頁/共36頁5ViVoVDDMLMIVOH=VDD VTL KL(VDD-VOH-VTL)2=0Vi為低電平為低電平VOL時時,MI截止截止,ML飽和飽

3、和Vi為高電平為高電平VOH時時,MI非飽和非飽和,ML飽和飽和KL(VDD-VOL-VTL)2=KI2(VOH-VTI)VO-VO2其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)LVOL (VDD VTL )22 R(VOH VTI)有比電路有比電路第4頁/共36頁6ViVoVDDMLMIVoVi R減小(KI/ KL )(1)VOH比電源電比電源電壓壓VDD低一個閾值低一個閾值電壓電壓Vt（有襯底（有襯底偏置效應(yīng)）；偏置效應(yīng)）；(3) ML和和MI的寬長比分別影響的寬長比分別影響tr和和tf。(4)上升過程由于負(fù)載管逐漸接近截上升過程由于負(fù)載管逐漸接近截止，止，tr較大。較大。(2)

4、VOL與與 R有關(guān)有關(guān)，為有比電路；，為有比電路；0Vot第5頁/共36頁7ViVoVDDMLMIVGG VOH = VDD KL2(VGG-VOH -VTL)(VDD -VOH) - (VDD -VOH) 2 = 0VGG VDD +VTL Vi為為VOL時，時，MI截止，截止，ML非飽和非飽和第6頁/共36頁8ViVoVDDMLMIVGGKI 2(VOH -VTI)VOL-VOL2 KL2(VGG -VOL -VTL)(VDD -VOL) - (VDD -VOL) 2 = VOL VDD 22m R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)Lm =VDD2(VG

5、G VTL) VDD0 m 1Vi為為VOH時，時，MI非飽和，非飽和，ML非飽和非飽和第7頁/共36頁9ViVoVDDMLMIVGGVoVi(KI/KL) R增大(1)雙電源雙電源(2) VOH =VDD (3)VOL與與 R有關(guān)有關(guān)，為有比電路；，為有比電路；(4) VGG越高，越高，tr越越小，但是小，但是VOL越大越大、功耗越大。、功耗越大。第8頁/共36頁10初始狀態(tài)：初始狀態(tài)： VI=VOH，Vo=VOL MB、ML飽和、飽和、MI非飽和非飽和VOL (VDD VTB VTL )22 R(VOH VTI)其中：其中： R =KIKL=(W/L)I(W/L)L有比電路有比電路ViVo

6、VDDMBMIMLCBVGLVGL=VDD VTB第9頁/共36頁11自舉過程：自舉過程： Vi 變?yōu)樽優(yōu)閂OL ,MI截止截止,Vo上升，上升， VGL隨隨Vo上升上升(電容自舉電容自舉)， MB截止截止,ML逐漸由飽和進(jìn)入逐漸由飽和進(jìn)入 非飽和導(dǎo)通，上升速度加快。非飽和導(dǎo)通，上升速度加快。自舉結(jié)果：自舉結(jié)果： tr縮短，縮短，VOH可達(dá)到可達(dá)到VDD。ViVoVDDMBMIMLCBVGL第10頁/共36頁12 VGL CO = VGSL CB VGL = VGSL + Vo VGL = Vo=1+Co/CB1自舉率定義：自舉率定義：CO由于寄生電容由于寄生電容CO的存在：的存在：應(yīng)盡可能較

7、小寄生電容應(yīng)盡可能較小寄生電容Co，使，使 達(dá)到達(dá)到80%以上。以上。ViVoVDDMBMIMLCBVGL第11頁/共36頁13 自舉電路中的漏電，會自舉電路中的漏電，會使自舉電位使自舉電位VGL下降下降(尤其尤其是低頻是低頻)，最低可降到：，最低可降到：VGL=VDD VTB ， 因而因而ML變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，輸出變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，輸出VOH降低：降低：VOH=VDD VTB VTL為了提高輸出高電平，加為了提高輸出高電平，加入上拉元件入上拉元件MA (或或RA)。ViVoVDDMBMIMLCBVGLMA第12頁/共36頁14ViVoVDDMDMEVOH = VDD KD2(0 -VTD)(VDD

8、-VOH)- (VDD -VOH) 2 = 0Vi為為VOL時，時，ME截止，截止，MD非飽非飽和和MD 為耗盡型器件，為耗盡型器件， VTD 0，第13頁/共36頁15ViVoVDDMDMEKE2(VOH -VTE)VOL-VOL2 KD(0 -VTD)2 = VOL VTD 22 R(VOH VTE)其中：其中： R =KEKD=(W/L)E(W/L)L有比電路（近似于無比電路有比電路（近似于無比電路）Vi為為VOH時，時，ME非飽和，非飽和，MD飽和飽和第14頁/共36頁16(1)VOH比可達(dá)到電源電壓比可達(dá)到電源電壓VDD(2)VOL與與 R有關(guān)，但是有關(guān)，但是VTD是是關(guān)鍵的因素，近

9、似于無比電路關(guān)鍵的因素，近似于無比電路，面積小。，面積小。(3)上升過程由于負(fù)載管由飽和上升過程由于負(fù)載管由飽和逐漸進(jìn)入非飽和，逐漸進(jìn)入非飽和， tr縮短，速縮短，速度快。度快。ViVoVDDMDME第15頁/共36頁17ViVoVDDMPMNVi為為VOL時，時，MN截止，截止，MP非飽非飽和和-Kp 2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) (VOH-VDD ) 2 = 0VOH = VDD Vi為為VOH時，時，MN非飽和，非飽和，MP截截止止Kn2(VOH-VTN)VOL-VOL2 =0VOL=0 無比電路無比電路MP 為為PMOS,VTP 0第16頁/共36頁18ViV

10、oVDDMPMN截止截止非飽和非飽和VDD+VTPVi VDD飽和飽和非飽和非飽和VO+VTNVi VDD+VTP飽和飽和飽和飽和VO+VTP Vi VO+VTN非飽和非飽和飽和飽和VTN ViVO+VTP非飽和非飽和截止截止0 ViVTNP管管N管管輸入電壓范圍輸入電壓范圍0VOViVDDVDDVDD+VTPVTN第17頁/共36頁190VOViVDDVILmaxVIHminVOHminVOLmaxSlope=-1VDDVOHminVSSVOLmaxVILmaxVIHminVNMLmaxVNMHmax(1)指定噪聲容限指定噪聲容限VNMmax=minVNMHmax, VNMLmax 第18頁

11、/共36頁20(2) 最大噪聲容最大噪聲容限限VNMH=VOH-V* =VDD-V* VNML=V*-VOL=V*Vi =VDD+ VTP +VTN o1 + o當(dāng)當(dāng)V*為為Vdd/2時，噪聲容限為最大（時，噪聲容限為最大（Vdd/2）其中：其中： o =KNKP= N(W/L)N P(W/L)PV*將隨著將隨著 o的變化而向相反方向變化的變化而向相反方向變化NMOS和和PMOS都飽和時有都飽和時有:記作記作V*V*VDD0VOViVDD o增大增大第19頁/共36頁21VoVDDViMPMNCL0VotVDD0VitVDD CL為負(fù)載電容，帶為負(fù)載電容，帶負(fù)載門數(shù)越多，負(fù)載門數(shù)越多， 連線越

12、連線越長，長，CL越大，延遲越大越大，延遲越大。第20頁/共36頁22(1)上升時上升時間間ViVoVDDMPMNCL0VotVDD90%10%tr2 VDD KP(VDD |VTP|)CL|VTP| 0.1VDDVDD |VTP| +1ln (19VDD 20 |VTP| )=KP越大越大 tr越小越小tr = tr1 + tr2 第21頁/共36頁23(2)下降時間下降時間ViVoVDDMPMNCL2 VDD KN(VDD VTN)CLVTN 0.1VDDVDD VTN +1ln (19VDD 20 VTN)=KN越大越大 tf越小越小0VotVDD90%10%tftf = tf1 + t

13、f2 第22頁/共36頁24(3)平均平均對延遲時間對延遲時間 tpd =(tpHL + tpLH )/20VitVDD50%0Vot50%tpHLVDDtpLHViVoVDDMPMN第23頁/共36頁25ViVoVDDMPMN(1) 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗PS 理想情況下靜態(tài)電流為理想情況下靜態(tài)電流為0，實際存在漏電流（表面漏電，實際存在漏電流（表面漏電，PN結(jié)漏電），有漏電功耗：結(jié)漏電），有漏電功耗： PS = Ios VDD CMOS電路功耗由三部分電路功耗由三部分組成：靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗和組成：靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗和節(jié)點電容充放電功耗。節(jié)點電容充放電功耗。 設(shè)計時應(yīng)盡量減小設(shè)計時應(yīng)盡量減小PN

14、結(jié)面積結(jié)面積 第24頁/共36頁26第25頁/共36頁27(2)瞬態(tài)功耗瞬態(tài)功耗Pt ViVoVDDMPMNCOCI0Vit0ITt Pt 2 1(tr+tf) ITmax VDD c 由于節(jié)點都存在寄生由于節(jié)點都存在寄生電容，因而狀態(tài)轉(zhuǎn)換時輸電容，因而狀態(tài)轉(zhuǎn)換時輸入波形有一定的斜率，使入波形有一定的斜率，使NMOS和和PMOS都處于導(dǎo)通都處于導(dǎo)通態(tài)，存在瞬態(tài)電流，產(chǎn)生態(tài)，存在瞬態(tài)電流，產(chǎn)生功耗：功耗： 設(shè)計時應(yīng)盡量減小設(shè)計時應(yīng)盡量減小tr和和tf第26頁/共36頁28(3)電容充放電功耗電容充放電功耗Pc 在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，結(jié)點電位的上升和下，結(jié)點電位的上升和下降，都伴隨著結(jié)

15、點電容降，都伴隨著結(jié)點電容的充放電過程，產(chǎn)生功的充放電過程，產(chǎn)生功耗：耗： 設(shè)計時應(yīng)盡量減小設(shè)計時應(yīng)盡量減小節(jié)節(jié)點寄生電容點寄生電容Pc = CL VDD 2ViVoVDDMPMNCL第27頁/共36頁29ViVoVDDMPMN(1)最小面積最小面積方案方案 芯片面積芯片面積 A= (Wn Ln+ Wp Lp) 按工藝設(shè)計規(guī)則設(shè)計最小尺按工藝設(shè)計規(guī)則設(shè)計最小尺寸寸 Lp = Ln Wp = Wn 面積小、功耗小、非對稱延遲面積小、功耗小、非對稱延遲(2) 對稱延遲對稱延遲方案方案 上升時間與下降時間相同上升時間與下降時間相同tr = tf 應(yīng)有：應(yīng)有：Kp = Kn，一般?。?，一般取：Lp=Ln則有：則有：Wp/ Wn = n / p 2第28頁/共36頁30ViVoVDDMPMN(3)對延遲最小方案（對延遲最小方案（Tpd最小最?。?一般取：一般?。篖p = Ln Wp/Wn =12 CL=CE+(Wp Lp + Wn Ln) Cg0TpdWp/Wn0 0.4 0.8 1.21.6 2.02.4寄生寄生電容電容CE增大增大Lp = Ln第29頁/共36頁31(4)級間最佳驅(qū)動方案級間最佳驅(qū)動方案 Cg