第5章MOS反相器(半導(dǎo)體集成電路共14章)課件

半導(dǎo)體集成電路學(xué)校：西安理工大學(xué)院系：自動化學(xué)院電子工程系專業(yè)：電子、微電時間：秋季學(xué)期半導(dǎo)體學(xué)校：西安理工大學(xué)2022/10/30第5章MOS反相器MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性電阻型反相器E/EMOS反相器E/DMOS反相器CMOS反相器工作原理

CMOS反相器的靜態(tài)特性

CMOS反相器的瞬態(tài)特性

MOS反相器的設(shè)計三態(tài)反相器2022/10/22第5章MOS反相器MOS反相器的基本概2022/10/30一、MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性輸出=3.3v3.3V輸入=0v輸入=3.3v輸出=0v3.3V電流OUTPUTINPUT0110OUTPUTINPUTINPUTOUTPUT1.MOS反相器基本概念2022/10/22一、MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性輸出2022/10/302.MOS反相器的靜態(tài)特性VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVMVOH:輸出電平為邏輯”1”時的最大輸出電壓VOL:輸出電平為邏輯”0”時的最小輸出電壓VIL:仍能維持輸出為邏輯”1”的最大輸入電壓VIH:仍能維持輸出為邏輯”0”的最小輸入電壓VM（邏輯閾值）:輸入等于輸出電壓傳輸特性2022/10/222.MOS反相器的靜態(tài)特性VOHVOLV2022/10/30噪聲抑制與噪聲容限VOHVOLVILVOHVIHVOL噪聲最大允許電壓噪聲最小允許電壓2022/10/22噪聲抑制與噪聲容限VOHVOLVILVO2022/10/30噪聲抑制與噪聲容限高噪聲容限低噪聲容限不定區(qū)VIHVIL"1""0"VOHVOLVNMHVNMLGateOutputGateInputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIH2022/10/22噪聲抑制與噪聲容限高噪聲容限低噪聲容限不2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器1二、電阻負載型反相器VDDRLVIN=VGSVOUT=VDS1.VIN=VOL≈0V時N管截止VOUTRLVDDVOUT=VDD驅(qū)動管負載2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器1二、電阻負載型2022/10/302.VIN=VOH≈VDD時N管導(dǎo)通,可將MOS等效為可變電阻RMOSVDDRLVIN=VGSVOUT=VDSVDDRLIRVOUTRMOS若RL>>RMOS則VOUT≈02022/10/222.VIN=VOH≈VDD時N管導(dǎo)2022/10/30電阻負載型反相器電壓傳輸特性VDDRLVOUTVINVINVOUTRL增大2022/10/22電阻負載型反相器電壓傳輸特性VDDRL2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器1輸入輸出關(guān)于負載電阻的討論INPUTOUTPUT為了使反相器的傳輸特性好R負載驅(qū)動在驅(qū)動管開關(guān)斷開時，負載電阻相對于開關(guān)的電阻足夠小在驅(qū)動管開關(guān)閉合時，負載電阻相對于開關(guān)的電阻足夠大MOS晶體管的導(dǎo)通電阻隨管子的尺寸不同而不同，通常在K歐數(shù)量級，假設(shè)它為3K歐，負載電阻取它的10倍為30K歐，用多晶硅作負載電阻時，如多晶硅的線寬為2微米的話，線長需為2mm。占面積很大，因此通常用MOS管做負載2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器1輸入輸出關(guān)于負2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器2nninout介紹飽和MOS負載反相器Vds=Vgs>Vgs-Vth只要開通，則工作在飽和區(qū)VIN

0VOUT=VDD-VTHL當(dāng)VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL時負載管關(guān)斷驅(qū)動管截止VIN

VDD驅(qū)動管非飽和導(dǎo)通,負載管飽和導(dǎo)通為使VOL接近0，要求gmL<<gmI有比電路三、E/EMOS反相器2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器2nninout2022/10/30

E/EMOS反相器電壓傳輸特性VINnnVinVoutgmL/gmI減小VDD-VTVoutVin2022/10/22E/EMOS反相器電壓傳輸特性VI2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器2采用耗盡型，VGS=0時,一直工作處于導(dǎo)通狀態(tài)VIN

0VOUT=VDD驅(qū)動管截止VIN

VDD驅(qū)動管非飽和導(dǎo)通,負載管飽和導(dǎo)通有比電路nninoutMEMD三、E/DMOS反相器2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器2采用耗盡型，V2022/10/30KR增大nninoutVDD

E/DMOS反相器電壓傳輸特性2022/10/22KR增大nninoutVDDE/D2022/10/30由PMOS和NMOS所組成的互補型電路叫做CMOSC：complementaryVinVout四、CMOS反相器已成為目前數(shù)字集成電路的主流2022/10/22由PMOS和NMOSC：compleme2022/10/30

CMOS反相器工作原理VinVout當(dāng)輸入電壓Vin為高電平時，PMOS截止，NMOS導(dǎo)通，Vout=0當(dāng)輸入電壓Vin為低電平時，PMOS導(dǎo)通，NMOS截止，Vout=VDDVOL=0VOH=VDD在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。這是CMOS電路低功耗的主要原因。CMOS電路的最大特點之一是低功耗。2022/10/22CMOS反相器工作原理VinVout當(dāng)2022/10/30CMOS反相器的傳輸特性VDS=VoutVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinNMOSVin<Vtn

截止▉Vin-Vtn<Vout飽和▉

▉Vin-Vtn>Vout非飽和▉

▉PMOS(VDD-Vin)<-Vtp

截止

▉

(VDD-Vin)+Vtp>VDD-Vout

非飽和

▉▉(VDD-Vin)+Vtp<VDD-Vout

飽和

▉

▉VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VtnVDD＋VtpVin<Vout＋VtpVDD+Vtp>Vin>Vout＋VtpVin>Vout＋VtnVtn<Vin<Vout＋Vtn2022/10/22CMOS反相器的傳輸特性VDS=Vout2022/10/30CMOS反相器的幾個重要參數(shù)VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVM2022/10/22CMOS反相器的幾個重要參數(shù)VOHVOL2022/10/301.VIL的計算VILVIHVIN=VILVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin對Vin求導(dǎo)，得令，且Vin=VIL,得由（1）（2）式聯(lián)立可求得VIL(2)RTNRDDTPoutILkVkVVVV++-+=12N管工作在飽和區(qū),P管工作在線性區(qū)(1)2022/10/221.VIL的計算VILVIHVIN=V2022/10/302.VIH的計算VILVIHVIN=VIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin對Vin求導(dǎo)，得令，且Vin=VIH,得由（1）（2）式聯(lián)立可求得VIHN管工作在線性區(qū),P管工作在飽和區(qū)（1）RTNoutRTPDDIHkVVkVVV++++=1)2(（2）2022/10/222.VIH的計算VILVIHVIN=V2022/10/30CMOS反相器的邏輯閾值VDDVINVMVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinN管和P管均工作在飽和區(qū)令VM=Vin

得2022/10/22CMOS反相器的邏輯閾值VDDVINVM2022/10/30邏輯閾值與晶體管尺寸的關(guān)系1001010.80.911.11.21.31.41.51.61.71.8MV

(V)Wp/Wn0.25um晶體管VDD=2.5vPMOS大NMOS大2022/10/22邏輯閾值與晶體管尺寸的關(guān)系10010102022/10/30CMOS反相器的噪聲容限例考慮一個具有如下參數(shù)的CMOS反相器電路：計算電路的噪聲容限2022/10/22CMOS反相器的噪聲容限例考慮一個具2022/10/30解:對于CMOS反相器來說,VOL=0V,VOH=3.3V當(dāng)VIN=VIL時,nMOS管工作在飽和區(qū),pMOS管工作在線性區(qū)則有:VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2022/10/22解:對于CMOS反相器來說,VOL=02022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/30當(dāng)VIN=VIH時,nMOS管工作在線性區(qū),pMOS管工作在飽和區(qū)則有:1.17VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2022/10/22當(dāng)VIN=VIH時,nMOS管工作在線性2022/10/302022/10/222022/10/30CMOS反相器的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性決定了電路的開關(guān)時間和工作速度2022/10/22CMOS反相器的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性決定了電2022/10/30CMOS反相器的瞬態(tài)特性延遲時間tpd(傳播時間）

2.上升時間tr3.下降時間tf2022/10/22CMOS反相器的瞬態(tài)特性延遲時間tpd(2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDD飽和區(qū)VinVout1.VOUT

從90%VDD

下降到VDD-VTHN管的VDS>VGS-VTH,工作在飽和區(qū)2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDD線性區(qū)VinVout2.VOUT

從VDD-VTH

下降到10%VDDN管的VDS<VGS-VTH,工作在線性區(qū)2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDDVinVout設(shè)VTN≈0.2VDD，則下降時間由N管的尺寸決定2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的上升時間trVin=0VinVout設(shè)|VTP|≈0.2VDD，則上升時間由P管的尺寸決定如果N管和P管尺寸相等，KP≈0.5KN(μp≈0.5μn),則tr≈2tf，因此，若希望tr＝tf，則WP≈2WN2022/10/22CMOS反相器的上升時間trVin=0V2022/10/30CMOS反相器延時的測量環(huán)形振蕩器N階反相器N必須為奇數(shù)T=2n*tpdTT=n*(tPHL+tPLH)10100tPHLtPLHtPHLtPLH通常用在測試電路中測試電路的工作速度2022/10/22CMOS反相器延時的測量環(huán)形振蕩器N階反2022/10/30MOS反相器的設(shè)計反相器的設(shè)計主要是確定MOS管的寬度對有比反相器：對CMOS反相器:1.根據(jù)VM確定尺寸2.根據(jù)上升下降時間相等原則設(shè)計（WP/WN≈2:1)根據(jù)VOL確定兩管尺寸2022/10/22MOS反相器的設(shè)計反相器的設(shè)計主要是確定2022/10/30三態(tài)CMOS反相器VinVoutSS符號VinVoutSS電路圖低電平，高阻用于多個電路模塊共享一條數(shù)據(jù)總線的情形2022/10/22三態(tài)CMOS反相器VinVoutSS符號2022/10/30CMOS反相器中的功耗CLVddnp0

n管截止,p管導(dǎo)通,輸出為“1”01

np管同時導(dǎo)通,輸出從“1”“0”1

p管截止,n管導(dǎo)通,輸出為“0”1001CMOS反相器工作在兩種狀態(tài)靜止?fàn)顟B(tài)電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)（動態(tài)）2022/10/22CMOS反相器中的功耗CLVddnp02022/10/30CLVddVDD0tV1.當(dāng)輸入信號為0時：輸出保持1不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移3.當(dāng)輸入信號從0－>1(發(fā)生跳變)時：輸出從“1”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”,

有電荷轉(zhuǎn)移012.當(dāng)輸入信號為VDD時：輸出保持0不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移CMOS反相器的功耗動態(tài)功耗靜態(tài)功耗2022/10/22CLVddVDD0tV1.當(dāng)輸入信號為02022/10/30CMOS反相器的功耗功耗組成：

1.靜態(tài)功耗2.動態(tài)功耗1.靜態(tài)功耗PS輸入輸出輸出在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。VinVout2022/10/22CMOS反相器的功耗功耗組成：1.靜態(tài)功2022/10/30考慮擴散區(qū)與襯底之間的反向漏電流后，存在較小反向漏電流隨著特征尺寸的減小，漏電流功耗變得不可忽視，減小漏電流功耗是目前的研究熱點之一。2022/10/22考慮擴散區(qū)與襯底之間的反向漏電流后，存在2022/10/302.動態(tài)功耗PDVILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止1.短路電流功耗：在輸入從0到1或者從1到0瞬變過程中，NMOS管和PMOS管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時存在一個窄的從VDD到VSS的電流脈沖，由此引起的功耗叫短路電流功耗。CLVdd通常（開關(guān)頻率較低時）為動態(tài)功耗的主要組成部分2.瞬態(tài)功耗：在電路開關(guān)動作時，對輸出端負載電容進行放電引起的功耗。2022/10/222.動態(tài)功耗PDVILVIHVinVou2022/10/30瞬態(tài)功耗VinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E*f=CLVDD2f為減小功耗需要減小CL

,VDD

和f動態(tài)（翻轉(zhuǎn)）的能量和功耗：與驅(qū)動器件的電阻無關(guān)每次翻轉(zhuǎn)消耗的能量E2022/10/22瞬態(tài)功耗VinVoutCLVddE=CL2022/10/30短路電流功耗VinVoutCLVddVoutiCtp2022/10/22短路電流功耗VinVoutCLVddVo2022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/30CMOS反向器的功耗表達式P=fCLK·

CL·

VDD2+

ISC·

△

tSC·

VDD·

fCLK+IDC·

VDD+ILeak·

VDD在此：CL為負載電容，VDD為電源電壓，

ISC為穿通電流的平均值，△tSC為穿通電流流過的時間，fCLK為時鐘周期，

IDC為直流電流，ILEAK為漏電流。2022/10/22CMOS反向器的功耗表達式P=fCLK2022/10/30CMOS反相器版圖PolysiliconInOutVDDGNDPMOS2lMetal1NMOSContactsNWell2022/10/22CMOS反相器版圖Polysilico2022/10/30TwoInvertersConnectinMetal2022/10/22TwoInvertersConnectExample:CMOSInverterLayoutExample:CMOSInverterLayout2022/10/30DesignIdea2022/10/22DesignIdea2022/10/30VirtuosoandLSW2022/10/22VirtuosoandLSW2022/10/30DrawingtheN-Diffusion(Active)2022/10/22DrawingtheN-Diffus2022/10/30TheGatePoly2022/10/22TheGatePoly2022/10/30MakingActiveContacts2022/10/22MakingActiveContac2022/10/30CoveringContactswithMetal-12022/10/22CoveringContactswi2022/10/30TheN-SelectLayer2022/10/22TheN-SelectLayer2022/10/30DrawingtheP-Diffusion(Active)2022/10/22DrawingtheP-Diffus2022/10/30TransistorFeatures2022/10/22TransistorFeatures2022/10/30TheP-SelectLayer2022/10/22TheP-SelectLayer2022/10/30DrawingtheN-Well2022/10/22DrawingtheN-Well2022/10/30PlacingthePMOSandNMOStransistors2022/10/22PlacingthePMOSand2022/10/30ConnectingtheOutput2022/10/22ConnectingtheOutpu2022/10/30ConnectingtheInput2022/10/22ConnectingtheInput2022/10/30MakingaMetal-1connectionfortheInput2022/10/22MakingaMetal-1con2022/10/30PowerRails2022/10/22PowerRails2022/10/30P-SubstrateContact2022/10/22P-SubstrateContact2022/10/30N-SubstrateContact2022/10/22N-SubstrateContact2022/10/30Enclosingthesubstratecontact2022/10/22Enclosingthesubstr2022/10/30DesignRuleChecking2022/10/22DesignRuleChecking2022/10/30FinalLayout2022/10/22FinalLayout2022/10/30結(jié)論靜態(tài)CMOS邏輯電路噪聲容限較大CMOS電路的特點之一是功耗小，其靜態(tài)功耗幾乎為0CMOS反相器為無比反相器

CMOS反相器的PMOS和NMOS溝道寬的比值大約為2：1(L相同)時，tPLH和tPHL大致相同，上升時間和下降時間也大致相同為了減小tPHL（或下降時間tf）,可增大NMOS的尺寸為了減小tPLH（或上升時間tr）,可增大PMOS的尺寸2022/10/22結(jié)論靜態(tài)CMOS邏2022/10/30作業(yè)考慮具有如下參數(shù)的CMOS反相器求電路的噪聲容限以及邏輯閾值.電源電壓取3.3V.2.設(shè)計一個CMOS反相器:器件參數(shù)同上題,電源電壓為3.3V,兩個晶體管的溝道長度為Ln=Lp=0.8um.a:求當(dāng)電路的邏輯閾值為1.4V時,Wn/Wp的值.b:這個反相器的CMOS制作工藝允許VTn,VTp的值在標(biāo)稱值有正負15%的變化．假定其他參數(shù)仍為標(biāo)稱值，求電路的邏輯閾值的上下限．3.名詞解釋:有比邏輯電路；無比邏輯電路；邏輯閾值。．2022/10/22作業(yè)考慮具有如下參數(shù)的CMOS半導(dǎo)體集成電路學(xué)校：西安理工大學(xué)院系：自動化學(xué)院電子工程系專業(yè)：電子、微電時間：秋季學(xué)期半導(dǎo)體學(xué)校：西安理工大學(xué)2022/10/30第5章MOS反相器MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性電阻型反相器E/EMOS反相器E/DMOS反相器CMOS反相器工作原理

CMOS反相器的靜態(tài)特性

CMOS反相器的瞬態(tài)特性

MOS反相器的設(shè)計三態(tài)反相器2022/10/22第5章MOS反相器MOS反相器的基本概2022/10/30一、MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性輸出=3.3v3.3V輸入=0v輸入=3.3v輸出=0v3.3V電流OUTPUTINPUT0110OUTPUTINPUTINPUTOUTPUT1.MOS反相器基本概念2022/10/22一、MOS反相器的基本概念及靜態(tài)特性輸出2022/10/302.MOS反相器的靜態(tài)特性VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVMVOH:輸出電平為邏輯”1”時的最大輸出電壓VOL:輸出電平為邏輯”0”時的最小輸出電壓VIL:仍能維持輸出為邏輯”1”的最大輸入電壓VIH:仍能維持輸出為邏輯”0”的最小輸入電壓VM（邏輯閾值）:輸入等于輸出電壓傳輸特性2022/10/222.MOS反相器的靜態(tài)特性VOHVOLV2022/10/30噪聲抑制與噪聲容限VOHVOLVILVOHVIHVOL噪聲最大允許電壓噪聲最小允許電壓2022/10/22噪聲抑制與噪聲容限VOHVOLVILVO2022/10/30噪聲抑制與噪聲容限高噪聲容限低噪聲容限不定區(qū)VIHVIL"1""0"VOHVOLVNMHVNMLGateOutputGateInputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIH2022/10/22噪聲抑制與噪聲容限高噪聲容限低噪聲容限不2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器1二、電阻負載型反相器VDDRLVIN=VGSVOUT=VDS1.VIN=VOL≈0V時N管截止VOUTRLVDDVOUT=VDD驅(qū)動管負載2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器1二、電阻負載型2022/10/302.VIN=VOH≈VDD時N管導(dǎo)通,可將MOS等效為可變電阻RMOSVDDRLVIN=VGSVOUT=VDSVDDRLIRVOUTRMOS若RL>>RMOS則VOUT≈02022/10/222.VIN=VOH≈VDD時N管導(dǎo)2022/10/30電阻負載型反相器電壓傳輸特性VDDRLVOUTVINVINVOUTRL增大2022/10/22電阻負載型反相器電壓傳輸特性VDDRL2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器1輸入輸出關(guān)于負載電阻的討論INPUTOUTPUT為了使反相器的傳輸特性好R負載驅(qū)動在驅(qū)動管開關(guān)斷開時，負載電阻相對于開關(guān)的電阻足夠小在驅(qū)動管開關(guān)閉合時，負載電阻相對于開關(guān)的電阻足夠大MOS晶體管的導(dǎo)通電阻隨管子的尺寸不同而不同，通常在K歐數(shù)量級，假設(shè)它為3K歐，負載電阻取它的10倍為30K歐，用多晶硅作負載電阻時，如多晶硅的線寬為2微米的話，線長需為2mm。占面積很大，因此通常用MOS管做負載2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器1輸入輸出關(guān)于負2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器2nninout介紹飽和MOS負載反相器Vds=Vgs>Vgs-Vth只要開通，則工作在飽和區(qū)VIN

0VOUT=VDD-VTHL當(dāng)VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL時負載管關(guān)斷驅(qū)動管截止VIN

VDD驅(qū)動管非飽和導(dǎo)通,負載管飽和導(dǎo)通為使VOL接近0，要求gmL<<gmI有比電路三、E/EMOS反相器2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器2nninout2022/10/30

E/EMOS反相器電壓傳輸特性VINnnVinVoutgmL/gmI減小VDD-VTVoutVin2022/10/22E/EMOS反相器電壓傳輸特性VI2022/10/30基本邏輯運算電路-反相器2采用耗盡型，VGS=0時,一直工作處于導(dǎo)通狀態(tài)VIN

0VOUT=VDD驅(qū)動管截止VIN

VDD驅(qū)動管非飽和導(dǎo)通,負載管飽和導(dǎo)通有比電路nninoutMEMD三、E/DMOS反相器2022/10/22基本邏輯運算電路-反相器2采用耗盡型，V2022/10/30KR增大nninoutVDD

E/DMOS反相器電壓傳輸特性2022/10/22KR增大nninoutVDDE/D2022/10/30由PMOS和NMOS所組成的互補型電路叫做CMOSC：complementaryVinVout四、CMOS反相器已成為目前數(shù)字集成電路的主流2022/10/22由PMOS和NMOSC：compleme2022/10/30

CMOS反相器工作原理VinVout當(dāng)輸入電壓Vin為高電平時，PMOS截止，NMOS導(dǎo)通，Vout=0當(dāng)輸入電壓Vin為低電平時，PMOS導(dǎo)通，NMOS截止，Vout=VDDVOL=0VOH=VDD在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。這是CMOS電路低功耗的主要原因。CMOS電路的最大特點之一是低功耗。2022/10/22CMOS反相器工作原理VinVout當(dāng)2022/10/30CMOS反相器的傳輸特性VDS=VoutVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinNMOSVin<Vtn

截止▉Vin-Vtn<Vout飽和▉

▉Vin-Vtn>Vout非飽和▉

▉PMOS(VDD-Vin)<-Vtp

截止

▉

(VDD-Vin)+Vtp>VDD-Vout

非飽和

▉▉(VDD-Vin)+Vtp<VDD-Vout

飽和

▉

▉VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VtnVDD＋VtpVin<Vout＋VtpVDD+Vtp>Vin>Vout＋VtpVin>Vout＋VtnVtn<Vin<Vout＋Vtn2022/10/22CMOS反相器的傳輸特性VDS=Vout2022/10/30CMOS反相器的幾個重要參數(shù)VOHVOLVout=VinVinVoutVILVIHVM2022/10/22CMOS反相器的幾個重要參數(shù)VOHVOL2022/10/301.VIL的計算VILVIHVIN=VILVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin對Vin求導(dǎo)，得令，且Vin=VIL,得由（1）（2）式聯(lián)立可求得VIL(2)RTNRDDTPoutILkVkVVVV++-+=12N管工作在飽和區(qū),P管工作在線性區(qū)(1)2022/10/221.VIL的計算VILVIHVIN=V2022/10/302.VIH的計算VILVIHVIN=VIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin對Vin求導(dǎo)，得令，且Vin=VIH,得由（1）（2）式聯(lián)立可求得VIHN管工作在線性區(qū),P管工作在飽和區(qū)（1）RTNoutRTPDDIHkVVkVVV++++=1)2(（2）2022/10/222.VIH的計算VILVIHVIN=V2022/10/30CMOS反相器的邏輯閾值VDDVINVMVinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=VinN管和P管均工作在飽和區(qū)令VM=Vin

得2022/10/22CMOS反相器的邏輯閾值VDDVINVM2022/10/30邏輯閾值與晶體管尺寸的關(guān)系1001010.80.911.11.21.31.41.51.61.71.8MV

(V)Wp/Wn0.25um晶體管VDD=2.5vPMOS大NMOS大2022/10/22邏輯閾值與晶體管尺寸的關(guān)系10010102022/10/30CMOS反相器的噪聲容限例考慮一個具有如下參數(shù)的CMOS反相器電路：計算電路的噪聲容限2022/10/22CMOS反相器的噪聲容限例考慮一個具2022/10/30解:對于CMOS反相器來說,VOL=0V,VOH=3.3V當(dāng)VIN=VIL時,nMOS管工作在飽和區(qū),pMOS管工作在線性區(qū)則有:VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2022/10/22解:對于CMOS反相器來說,VOL=02022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/30當(dāng)VIN=VIH時,nMOS管工作在線性區(qū),pMOS管工作在飽和區(qū)則有:1.17VILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止VinVout-VGS=VDD-Vin-VDS=VDD-VoutVGS=Vin2022/10/22當(dāng)VIN=VIH時,nMOS管工作在線性2022/10/302022/10/222022/10/30CMOS反相器的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性決定了電路的開關(guān)時間和工作速度2022/10/22CMOS反相器的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性決定了電2022/10/30CMOS反相器的瞬態(tài)特性延遲時間tpd(傳播時間）

2.上升時間tr3.下降時間tf2022/10/22CMOS反相器的瞬態(tài)特性延遲時間tpd(2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDD飽和區(qū)VinVout1.VOUT

從90%VDD

下降到VDD-VTHN管的VDS>VGS-VTH,工作在飽和區(qū)2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDD線性區(qū)VinVout2.VOUT

從VDD-VTH

下降到10%VDDN管的VDS<VGS-VTH,工作在線性區(qū)2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的下降時間tfVin=VDDVinVout設(shè)VTN≈0.2VDD，則下降時間由N管的尺寸決定2022/10/22CMOS反相器的下降時間tfVin=VD2022/10/30CMOS反相器的上升時間trVin=0VinVout設(shè)|VTP|≈0.2VDD，則上升時間由P管的尺寸決定如果N管和P管尺寸相等，KP≈0.5KN(μp≈0.5μn),則tr≈2tf，因此，若希望tr＝tf，則WP≈2WN2022/10/22CMOS反相器的上升時間trVin=0V2022/10/30CMOS反相器延時的測量環(huán)形振蕩器N階反相器N必須為奇數(shù)T=2n*tpdTT=n*(tPHL+tPLH)10100tPHLtPLHtPHLtPLH通常用在測試電路中測試電路的工作速度2022/10/22CMOS反相器延時的測量環(huán)形振蕩器N階反2022/10/30MOS反相器的設(shè)計反相器的設(shè)計主要是確定MOS管的寬度對有比反相器：對CMOS反相器:1.根據(jù)VM確定尺寸2.根據(jù)上升下降時間相等原則設(shè)計（WP/WN≈2:1)根據(jù)VOL確定兩管尺寸2022/10/22MOS反相器的設(shè)計反相器的設(shè)計主要是確定2022/10/30三態(tài)CMOS反相器VinVoutSS符號VinVoutSS電路圖低電平，高阻用于多個電路模塊共享一條數(shù)據(jù)總線的情形2022/10/22三態(tài)CMOS反相器VinVoutSS符號2022/10/30CMOS反相器中的功耗CLVddnp0

n管截止,p管導(dǎo)通,輸出為“1”01

np管同時導(dǎo)通,輸出從“1”“0”1

p管截止,n管導(dǎo)通,輸出為“0”1001CMOS反相器工作在兩種狀態(tài)靜止?fàn)顟B(tài)電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)（動態(tài)）2022/10/22CMOS反相器中的功耗CLVddnp02022/10/30CLVddVDD0tV1.當(dāng)輸入信號為0時：輸出保持1不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移3.當(dāng)輸入信號從0－>1(發(fā)生跳變)時：輸出從“1”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”,

有電荷轉(zhuǎn)移012.當(dāng)輸入信號為VDD時：輸出保持0不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移CMOS反相器的功耗動態(tài)功耗靜態(tài)功耗2022/10/22CLVddVDD0tV1.當(dāng)輸入信號為02022/10/30CMOS反相器的功耗功耗組成：

1.靜態(tài)功耗2.動態(tài)功耗1.靜態(tài)功耗PS輸入輸出輸出在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。VinVout2022/10/22CMOS反相器的功耗功耗組成：1.靜態(tài)功2022/10/30考慮擴散區(qū)與襯底之間的反向漏電流后，存在較小反向漏電流隨著特征尺寸的減小，漏電流功耗變得不可忽視，減小漏電流功耗是目前的研究熱點之一。2022/10/22考慮擴散區(qū)與襯底之間的反向漏電流后，存在2022/10/302.動態(tài)功耗PDVILVIHVinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止1.短路電流功耗：在輸入從0到1或者從1到0瞬變過程中，NMOS管和PMOS管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時存在一個窄的從VDD到VSS的電流脈沖，由此引起的功耗叫短路電流功耗。CLVdd通常（開關(guān)頻率較低時）為動態(tài)功耗的主要組成部分2.瞬態(tài)功耗：在電路開關(guān)動作時，對輸出端負載電容進行放電引起的功耗。2022/10/222.動態(tài)功耗PDVILVIHVinVou2022/10/30瞬態(tài)功耗VinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E*f=CLVDD2f為減小功耗需要減小CL

,VDD

和f動態(tài)（翻轉(zhuǎn)）的能量和功耗：與驅(qū)動器件的電阻無關(guān)每次翻轉(zhuǎn)消耗的能量E2022/10/22瞬態(tài)功耗VinVoutCLVddE=CL2022/10/30短路電流功耗VinVoutCLVddVoutiCtp2022/10/22短路電流功耗VinVoutCLVddVo2022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/302022/10/222022/10/30CMOS反向器的功耗表達式P=fCLK·

CL·

VDD2+

ISC·

△

tSC·

VDD·

fCLK+IDC·

VDD+ILeak·

VDD在此：CL為負載電容，VDD為電源電壓，

ISC為穿通電流的平均值，△tSC為穿通電流流過的時間，fCLK為時鐘周期，

IDC為直流電流，ILEAK為漏電流。2022/10/22CMOS反向器的功耗表達式P=fCLK2022/10/30CMOS反相器版圖PolysiliconInOutVDDGNDPMOS2lMetal1NMOSContactsNWell2022/10/22CMOS反相器版圖Polysil