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文檔簡介
MOSFET邏輯設(shè)計(jì)理想開關(guān)與布爾運(yùn)算MOSFET開關(guān)基本的CMOS邏輯門CMOS復(fù)合邏輯門傳輸門(TG)電路時(shí)鐘控制和數(shù)據(jù)流控制目前一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)理想開關(guān)與布爾運(yùn)算xyAAB“1”“1”ABxyAAB“1”“1”AB“1”AA“0”目前二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)MOSFET開關(guān)理想邏輯定義:“0”:0V:低電壓“1”:VDD:高電壓=?=?XX與理想開關(guān)的區(qū)別?閾值電壓傳輸特性目前三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)基本的CMOS邏輯門邏輯控制器+邏輯開關(guān)互補(bǔ)對非門(NOT門)CMOS或非門(NOR門)CMOS與非門(NAND門)CMOS復(fù)合邏輯門異或門(XOR)和異或非門(XNOR)一般化的AOI和OAI邏輯門目前四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)基本邏輯符號(hào)≥11&≥1=1=&邏輯與邏輯或邏輯非與非或非異或同或目前五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)傳輸門(TG)電路雙向開關(guān)邏輯設(shè)計(jì)多路選擇器(MUX)或門(or門)另一種異或/異或非電路目前六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)時(shí)鐘控制和數(shù)據(jù)流控制目前七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)習(xí)題利用串-并聯(lián)邏輯,設(shè)計(jì)一個(gè)完成下列功能的CMOS邏輯門,要求使用晶體管數(shù)目最少。F=not(A+BC+ABC)設(shè)TG的維持時(shí)間為120ms。采用上圖的設(shè)計(jì)方法,能夠用來控制數(shù)據(jù)流的最低時(shí)鐘頻率是多少?目前八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)§4.1CMOS邏輯集成電路MOS反相器電阻負(fù)載NMOS反相器采用晶體管作為負(fù)載器件的反相器CMOS反相器CMOS傳輸門目前九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)反相器分類MOS反相器輸入(驅(qū)動(dòng)管)必須是增強(qiáng)型MOS,早期用PMOS(易于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型)根據(jù)負(fù)載情況不同,反相器的形式也不同E/R電阻負(fù)載NMOS反相器(E/E、E/D)采用晶體管作為負(fù)載器件的反相器CMOS反相器反相器的特性驅(qū)動(dòng)管負(fù)載RLMOS反相器是數(shù)字電路分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。討論驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載,獲得最小延遲時(shí)間的設(shè)計(jì)分析目前十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)反相器的特性NoisedefinitioninDCNominalvoltagelevelVoltagetransfercharacteristicNoisemarginFan-inandFan-outInput/outputresistanceIdealinverterDelaydefinitionPowerdissipation目前十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)理想的反相器電壓增益無窮大噪聲容限等于邏輯幅值的一半反相器的閾值電壓等于邏輯幅值的中間點(diǎn)輸入電阻無窮大輸出電阻等于零VDD/2目前十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)靜態(tài)行為的噪聲電感耦合、電容耦合、電源串?dāng)_目前十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)直流特性Nominalvoltagelevel數(shù)字邏輯:0、1布爾量物理量:VOL、VOH連續(xù)量LogicSwing:VOH-VOL反相器的閾值電壓:VM(V(y)=V(x)的點(diǎn))電壓傳輸特性:Vout=f(Vin)V(x)VILVIH目前十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)電平噪聲容限VIL:輸入電平邏輯“0”的最大輸入電壓VIH:輸入電平邏輯“1”的最小輸入電壓VOL:輸出電平邏輯“0”的最大輸出電壓VOH:輸出電平邏輯“1”的最小輸出電壓NML=VIL-VOLNMH=VOH-VIH轉(zhuǎn)移特性曲線斜率為-1的點(diǎn)所對應(yīng)的電壓目前十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)噪聲影響下的數(shù)字信號(hào)傳播在噪聲容限內(nèi)前級(jí)反相器輸出的邏輯1能夠被后級(jí)反相器識(shí)別前級(jí)反相器輸出的邏輯0能夠被后級(jí)反相器識(shí)別目前十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)Fan-inandFan-out器件的輸入、輸出電阻當(dāng)輸入信號(hào)電壓加到器件的輸入端時(shí),器件本身相當(dāng)于前一級(jí)器件的負(fù)載輸入電阻越大則前一級(jí)的信號(hào)衰減的越小器件空載時(shí)的伏安比為輸出電阻器件的輸出電阻越小,則輸出電阻受負(fù)載的影響越小,說明器件帶負(fù)載能力越強(qiáng)目前十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)上升時(shí)間TR輸出電壓從V10%上升到V90%所需的時(shí)間下降時(shí)間TF輸出電壓從V90%下降到V10%所需的時(shí)間反相器的動(dòng)態(tài)特性延遲時(shí)間的定義輸入電壓上升到V50%時(shí)和輸出電壓下降到V50%時(shí)之間的延遲時(shí)間輸入電壓下降到V50%時(shí)和輸出電壓上升到V50%時(shí)之間的延遲時(shí)間延遲時(shí)間tp目前十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)邏輯器件的功耗功耗對設(shè)計(jì)的影響封裝、冷卻設(shè)備、電源線尺寸的設(shè)計(jì)單個(gè)芯片中可容納的晶體管數(shù)目影響芯片的可用性、造價(jià)、穩(wěn)定性功耗分類峰值功耗—電源線尺寸平均功耗—冷卻設(shè)備、電池容量功耗參數(shù)(靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗)功耗與速度的關(guān)系能量在晶體管中轉(zhuǎn)移的越快、速度越快、延遲越小功耗延遲積來表達(dá)電路的特征目前十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)功率和能量功率,Power單位:瓦Watts單位時(shí)間內(nèi)的能量,決定了電池的壽命峰值功率影響電源線的布置、封裝、噪聲和可靠能量單位:焦耳JoulesEnergy=power*time(delay)Joules=Watts*seconds電路較低的能量意味著在同樣頻率下執(zhí)行同樣的操作需要較低的功率目前二十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)Wattstime功率是指曲線的高度WattstimeApproach1Approach2Approach2Approach1能量是指曲線的面積簡單的低功耗設(shè)計(jì)只需降低速度上述兩種方法的能量相同功率和能量目前二十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)功耗-延遲積Power-delayproduct(PDP)=Pav*tp=(CLVDD2)/2PDP每個(gè)開關(guān)動(dòng)作所需的平均能量(Watts*sec=Joule)能量-延遲積Energy-delayproduct(EDP)=PDP*tp=Pav*tp2電路的優(yōu)值Energy1/DelayabcdLowerEDPbetterbetter目前二十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)E=CLVDD2P01+tscVDDIpeakP01
+VDDIleakageP=CLVDD2f01+tscVDDIpeakf01+
VDDIleakage動(dòng)態(tài)、Dynamicpower靜態(tài)、Short-circuitpowerLeakagepowerf01=P01*fclock反相器中功耗目前二十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)本節(jié)內(nèi)容MOS反相器電阻負(fù)載NMOS反相器采用晶體管作為負(fù)載器件的反相器CMOS反相器CMOS傳輸門目前二十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)電阻負(fù)載E/R5個(gè)有價(jià)值的臨界點(diǎn)反相晶體管截止反相晶體管導(dǎo)通兩個(gè)臨界點(diǎn)中點(diǎn)電壓缺點(diǎn)負(fù)載電阻值要求大功耗大占用了版圖解決方案采用小尺寸的晶體管制作負(fù)載器件目前二十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)本節(jié)內(nèi)容MOS反相器電阻負(fù)載NMOS反相器采用晶體管作為負(fù)載器件的反相器CMOS反相器CMOS傳輸門目前二十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)飽和區(qū)工作的增強(qiáng)型負(fù)載反相器負(fù)載管M1處于飽和區(qū)輸入高電平時(shí),M2導(dǎo)通,Vout下降;M1工作于飽和區(qū)輸入低電平時(shí),M2截止,Vout上升到VDD-VT;M1起上拉作用輸出低電平和兩個(gè)管子的長寬比相關(guān)缺點(diǎn)輸出高電平低于VDD要求k1<<K2功耗大受體效應(yīng)的影響目前二十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)線性區(qū)工作的增強(qiáng)型負(fù)載反相器特點(diǎn)負(fù)載器件的柵接到另一直流電源VGG≥VDD+VT負(fù)載器件工作在線性區(qū)輸出波形上沿理想,電路工作速度較高缺點(diǎn)要求額外的電源,芯片面積增大要求k1<<K2,從而增大了芯片面積受體效應(yīng)的影響目前二十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)耗盡型負(fù)載反相器特點(diǎn)(E/D反相器)以耗盡型NMOS晶體管作為負(fù)載負(fù)載器件的柵源短接,當(dāng)VDS>VGS-VT時(shí)相當(dāng)于恒流源作為負(fù)載,能獲得較快的上升波形輸入低電平時(shí),Vout≈VDD輸入高電平時(shí),M2導(dǎo)通處于線性區(qū),輸出電壓很小,但不為零2K2(VDD-VT2)Vout=K1(VGS-VT1)2輸出特性曲線較好,靜態(tài)功耗不為零目前二十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)例題(浙大2000年考題)N溝E/DMOS反相器,已知VDD=5V,增強(qiáng)管VT=1V,耗盡管VT=-2伏,電子遷移率:500㎝2/VS。MOS柵氧化層厚度Tox=800埃,ε0εSiO2=3.3X10-13F/㎝,輸入高電平VIH等于本級(jí)輸出高電平VOH,本級(jí)輸出低電平VOL=0.25V,耗盡管的溝道寬長比為0.5計(jì)算增強(qiáng)管的溝道寬長比(10分)計(jì)算反相器的導(dǎo)通功耗(10分)(1)通過輸出低電壓的計(jì)算公式,得此比值為1(2)P=IV=IDVDD,得P=0.1mW目前三十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)討論與總結(jié)靜態(tài)功耗導(dǎo)致應(yīng)用的局限性(小規(guī)模)量綱的轉(zhuǎn)換1埃=10-1納米=10-4微米=10-7毫米=10-8厘米遷移率:㎝2/VS;εax:F/㎝=Q/Vcm;k:A/V21mil=25.4um,1inch=1000mil小結(jié)應(yīng)用于中小規(guī)模IC結(jié)構(gòu)簡單、速度快、工藝簡單功耗大注意計(jì)算題中單位和量綱目前三十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)本節(jié)內(nèi)容MOS反相器電阻負(fù)載NMOS反相器采用晶體管作為負(fù)載器件的反相器CMOS反相器CMOS傳輸門目前三十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)目前三十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前三十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)結(jié)構(gòu)和工作原理
ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS反相器由PMOS晶體管和NMOS晶體管串聯(lián)構(gòu)成,二者工作狀態(tài)互補(bǔ),兩個(gè)管子必須是增強(qiáng)型P阱工藝、雙阱工藝:VTN:正、VTP:負(fù)特點(diǎn):Vin=“1”(VDD),Vout=“0”(0)邏輯擺幅大,近似等于工作電壓值工作中,總有一個(gè)管子處于截止態(tài),所以靜態(tài)功耗極小,有最大的邏輯擺幅CMOS電路是無比電路,邏輯門的版圖設(shè)計(jì)不是驅(qū)動(dòng)相關(guān)的,晶體管能夠面積最小化穩(wěn)態(tài)時(shí),輸出電阻很小,因此抗干擾能力強(qiáng),帶載能力也很強(qiáng)穩(wěn)態(tài)時(shí),輸入端接到柵極電極板上,理論上有無窮大的扇入、扇出系數(shù)目前三十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)nMOS和pMOS交替導(dǎo)通高電平-“1”為VDD,低電平-“0”為0VIN目前三十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前三十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS電路的伏安特性變換pMOS管的伏安曲線到nMOS管的坐標(biāo)圖上取得相同輸入電壓下的交點(diǎn)作出輸入輸出曲線分析跳變增益找到滿足對稱性和最大抗干擾區(qū)的中間點(diǎn)條件目前三十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)坐標(biāo)變換VDSn:nMOS管的源漏間電壓等于輸出電壓IDn=-IDp:nMOS管漏電路和pMOS大小相等、方向相反Vout:輸出電壓等于VDD減去pMOS源漏間電壓目前三十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)取得相同輸入電壓下的交點(diǎn)目前四十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)伏安特性曲線目前四十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)幾種反相器的比較目前四十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前四十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)靜態(tài)分析(圖4-2(a))在伏安特性曲線上的五個(gè)區(qū)域區(qū)域Ⅰ:Vin<VTnnMOS截止、pMOS導(dǎo)通工作在線性區(qū)輸出電壓:VDD區(qū)域Ⅱ:Vin>VTnnMOS導(dǎo)通工作于飽和區(qū)、pMOS工作在線性區(qū)輸出電壓開始下降區(qū)域Ⅲ:Vin進(jìn)一步增大,達(dá)到中值電壓附近兩個(gè)管子都進(jìn)入了飽和區(qū)工作輸入信號(hào)很小的變化會(huì)引起輸出電壓劇烈變化,成為高增益放大區(qū)區(qū)域Ⅳ:Vin<VDD-|VTp|pMOS進(jìn)入飽和區(qū)、nMOS進(jìn)入線性區(qū)P管的電阻大于n管的電阻,輸出電壓開始向“0”過渡區(qū)域Ⅴ:Vin≥VDD-|VTp|P管截止、n管進(jìn)入低電阻的非飽和區(qū)輸出電壓:0目前四十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)電壓傳輸特性的表達(dá)式直流傳輸特性飽和區(qū):ID=Kn(VGS-VT)2(1+λVDS)線性區(qū):ID=2Kn[(VGS-VT)-VDS/2]VDS電路特點(diǎn)VGSn=VinVGSp=Vin-VDDVDSn=VoutVDSp=Vout-VDD兩管電流大小相等方向相反得到電壓傳輸特性的表達(dá)式:書上式4-9~4-13關(guān)于PMOS的I-V特性目前四十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前四十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)VM(VIN=VOUT)
的確定在VM處,nMOS和pMOS均處于飽和區(qū)通常閾值電壓固定VTn=-VTpVM受kR=kp/kn(kR反相器的比例因子的控制)器件參數(shù)目前四十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)對稱情形若通常VTn=-VTp此時(shí)為理想反相器的值目前四十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)例題一個(gè)CMOS工藝具有下列參數(shù):Kn’=140uA/V2VTn=0.7VKp’=60uA/V2VTp=-0.7V1)對稱設(shè)計(jì),PMOS、NMOS的大小2)如果NMOS、PMOS有相同寬長比,中值電壓是多少?目前四十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)KRKRKRKR非對稱情形目前五十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)歸一化電平αn=VTn/VDD、αp=VTp/VDD在高增益放大區(qū)中,兩個(gè)管都處在飽和區(qū)兩管電流大小相等、方向相反βR=kp/kn利用以上信息計(jì)算反相器的閾值電壓VTVTn=|VTp|,所以αn=αpβR=1;通過左式計(jì)算得VT=0.5VDD電壓傳輸特性曲線的對稱性總結(jié):MOS管閾值電壓、MOS管溝道的長寬比、載流子遷移率目前五十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)VIL的確定在VIN=VIL處,nMOS處于飽和區(qū),pMOS處于線性區(qū)VIN=VIL對上式求導(dǎo)目前五十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)VIH的確定在VIN=VIH處,nMOS處于線性區(qū),pMOS處于飽和區(qū)VIN=VIH對上式求導(dǎo)目前五十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)在對稱情形中VIH+VIL=VDD低電平信號(hào)的噪聲容限NML:NML=VIL-VOL=VIL
高電平信號(hào)的噪聲容限NMH:NMH=VOH-VIH=VDD-VIH
具有相等的噪聲容限NML=NMHVTn=-VTp目前五十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)噪聲容限由極限輸出電平定義噪聲容限:指定噪容NML=VIL-VOL≈VILNMH=VOH-VIH≈VDD-VIH由反相器閾值電壓定義的最大噪聲容限NNLM=VMNNHM=VDD-VMαn、αp、βR直接影響了噪聲容限,是設(shè)計(jì)反相器主要公式。MOS閾值電壓數(shù)值升高會(huì)使開關(guān)速度下降目前五十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)Vin(V)Vout(V)器件的閾值電壓始終不變Vin(V)Vout(V)Gain=-1電源電壓VDD的變化目前五十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)直流導(dǎo)通電流隨輸入、輸出電平的變化而變化,在VIN=VM時(shí)最大目前五十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器直流特性的計(jì)算Vi為低電平時(shí):Tn截止,Tp導(dǎo)通,VoH=VddVi2為高電平時(shí):Tn導(dǎo)通,Tp截止,VoL=0ViV0IpInTpTn五個(gè)區(qū)域72頁目前五十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器有以下優(yōu)點(diǎn):(1)傳輸特性理想,過渡區(qū)比較陡(2)邏輯擺幅大:VOH=VDD,VOL=0(3)一般VM位于電源Vdd的中點(diǎn),即VM=VDD/2,因此噪聲容限很大。(4)只要在狀態(tài)轉(zhuǎn)換為b——e段時(shí)兩管才同時(shí)導(dǎo)通,才有電流通過,因此功耗很小。靜態(tài)功耗低(5)CMOS反相器是利用p、n管交替通、斷來獲取輸出高、低電壓的,而不象單管那樣為保證VoL足夠低而確定p、n管的尺寸,因此CMOS反相器是無比(Ratio-Less)電路。(6)輸入阻抗高(108~1010歐姆)(7)工作電源電壓范圍寬(8)散出能力強(qiáng)(但隨著所帶門數(shù)的增多,工作速度下降)(9)熱穩(wěn)定性較好(10)成本低(11)動(dòng)態(tài)功耗目前五十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前六十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)瞬態(tài)特性公式主要參數(shù):上升沿瞬態(tài)時(shí)間(上升時(shí)間)tr、下降沿瞬態(tài)時(shí)間(下降時(shí)間)tf和延遲時(shí)間(包括tPHL和tPLH),見圖4-7計(jì)算CMOS反相器瞬態(tài)特性的簡化模型輸入信號(hào)是理想的方波不計(jì)MOS管本身的馳豫時(shí)間將輸出節(jié)點(diǎn)的本征電容和寄生電容用電容Cout等效上升時(shí)間:pMOS對Cout充電下降時(shí)間:Cout通過NMOS放電目前六十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)二、CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性簡化模型假設(shè):把與輸出節(jié)點(diǎn)相連的所有寄生電容等價(jià)為一個(gè)負(fù)載電容CFET負(fù)載電容定義為CL目前六十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)上升時(shí)間反相器的上升反應(yīng)時(shí)間決定于通過Rp對CL充電的時(shí)間目前六十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)下降時(shí)間反相器的下降反應(yīng)時(shí)間決定于通過Rn對CL放電的時(shí)間目前六十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)
前級(jí)反相器的負(fù)載電容約為后級(jí)反相器的兩個(gè)晶體管柵電容之和:Cl=Cgp+Cgn=Cox(WpLp+WnLn)目前六十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間上升沿時(shí)間輸出電壓從0.1VDD到-VTp輸出電壓從-VTp到0.9VDD積分后相加求得上升沿時(shí)間計(jì)算公式4-20Vout目前六十六頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)下降沿時(shí)間輸出電壓從0.9VDD伏下降到(VDD-VTn)所需的時(shí)間輸出電壓從(VDD-VTn)下降到0.1VDD所需的時(shí)間由于CMOS電路的對稱性,類似的方法計(jì)算下降沿。此時(shí)以NMOS管來考慮線性工作區(qū)飽和區(qū)總結(jié)兩個(gè)表達(dá)式完全對稱。VTn=|VTp|,kn=kp,輸出波形完全對稱由于μn≈2μp,所以(W/L)p=2(W/L)n上升時(shí)間常數(shù)※下降時(shí)間常數(shù)※目前六十七頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)門延遲時(shí)間平均延遲時(shí)間根據(jù)△Q=CL△V分兩個(gè)階段計(jì)算輸出端從高電平變化到低電平的傳播延遲時(shí)間tPHL輸出端從低電平變化到高電平的傳播延遲時(shí)間tPLH假定輸入信號(hào)為方波假設(shè)恒定飽和電流求得tPHL=CL(VOH-VOL)/(2IHL)tPLH=CL(VOH-VOL)/(2ILH)加上輸入上升沿修正tPHL=(tPHL2(方波)+(tr/2)2)1/2另外一種形式:飽和區(qū)結(jié)論:CMOS功耗小,工作速度快,面積小目前六十八頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)簡化模型簡化為對外極板電容充放電過程上升時(shí)間:對外極板的充電時(shí)間下降時(shí)間:對外極板的放電時(shí)間最后求得的平均門延遲時(shí)間:目前六十九頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)反相器的負(fù)載電容目前七十頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)負(fù)載電容CL本級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電容下一級(jí)輸入電容和電路的扇出系數(shù)有關(guān)連線電容大電容負(fù)載的驅(qū)動(dòng)例題:IC輸出焊盤尺寸為100×100平方微米,電容密度為2.5fF/um2。已知一MOS反相器的尺寸為(W/L)n=(W/L)p=3um/3um,VTn=-VTp=1伏,kn=22.5uA/V2、kp=7.5uA/V2,VDD=5伏。計(jì)算用該倒相器驅(qū)動(dòng)輸出焊盤的上升延遲時(shí)間和下降延遲時(shí)間以及平均延遲時(shí)間?電路的最高工作頻率T/2≥max(tr,tf)fm=1/(2max(tr,tf))(1)利用上述公式計(jì)算出上升延遲時(shí)間tPLH和下降延遲時(shí)間tPHL(2)根據(jù)平均延遲時(shí)間的公式來計(jì)算目前七十一頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)簡化模型2當(dāng)輸入為方波時(shí)下降時(shí)間等同于通過NMOS放電時(shí)間上升時(shí)間等同于通過PMOS充電時(shí)間例題有一個(gè)反相器電路,F(xiàn)ET的寬長比,nMOS:6、pMOS:8。其工藝參數(shù):Kn’=150uA/V2VTn=0.7VKp’=62uA/V2VTp=-0.85V電源電壓:3.3V。總輸出電容估計(jì)為150fF。1)推算上升、下降時(shí)間2)此電路的最大工作頻率目前七十二頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)對延遲時(shí)間在非階躍輸入情況,常用對延遲時(shí)間來反映電路的瞬態(tài)特性對延遲時(shí)間TD的定義:經(jīng)兩級(jí)倒相的非階躍輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相對應(yīng)波形50﹪幅度點(diǎn)的時(shí)間間隔。輸入信號(hào)上升沿的50﹪到同相輸出信號(hào)上升沿的50﹪的延遲時(shí)間TDr輸入信號(hào)下降沿的50﹪到同相輸出信號(hào)下降沿的50﹪的延遲時(shí)間TDf書上公式(4-21)※半經(jīng)驗(yàn)公式所以,對延遲時(shí)間與上升沿和下降沿時(shí)間有關(guān);還與負(fù)載電容有關(guān)(1-αn)2≈β0(1-αp)2取決于有效的最大電流目前七十三頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)討論由關(guān)于上升沿和下降沿時(shí)間的4-19和4-20式可得tr/tf=kn/kp,如果NMOS、PMOS尺寸相同,則tr/tf=μneff/μpeff上升沿時(shí)間比下降沿時(shí)間長,如果要求相等,則要求pMOS的寬長比是nMOS的寬長比的2.5倍例題:已知NMOS管寬長分別為4微米、2微米。PMOS管的長:2微米,且μneff·Cox=45微安/V2,μpeff·Cox=15微安/V2;VTn=-VTp=0.8伏,Cox=1×10-15F/平方微米,VDD=3伏。求PMOS柵寬度應(yīng)為多少才能獲得相等的上升沿和下降沿時(shí)間?這樣的CMOS倒相器的平均延遲時(shí)間為多少?由公式(4-19)、(4-20)得上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間的比值等于kn/kp,所以既是要求kn=kp,根據(jù)器件增益系數(shù)的計(jì)算公式即可求得PMOS的柵寬值由公式和書上76頁關(guān)于上升時(shí)間常數(shù)、下降時(shí)間常數(shù)的定義可求得平均延遲時(shí)間目前七十四頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)CMOS反相器(倒相器)結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS電路的伏安特性CMOS晶體管的狀態(tài)直流特性瞬態(tài)特性功耗特性目前七十五頁\總數(shù)八十六頁\編于十點(diǎn)E=CLVDD2P01+tscVDDIpeakP01
+VDDIleakageP=CLVDD2f01
+tscVDDIpeakf01+
VDDIleakage動(dòng)態(tài)、Dynamicpower靜態(tài)、Short-circuitpowerLeakagepowerf01=P01*f
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