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1、4.2 CMOS反相器,4.2.1 反相器电路,1、电阻负载反相器(E/R) Ui为低时:驱动管截止,输出为高电平:Uoh=Udd Ui=Udd时:输出为低电平: 其中Rl为驱动管的导通电阻。为了使Uo足够低,要求Rl与Rp应有合适的比例。因次,E/R反相器为有比反相器。,2、增强型负载反相器(E/E) U2管栅极接UDD, 等效负载电阻很小(1/gm2), 增益很小,衬底接全电路的最低电位点(地)。,因此U2管(也称上拉管)存在背栅效应。 当Ui=0 时, U1管截止, 输出为高电平; 当Ui=1 时, U1管导通, 输出为低电平。,3、耗尽负载反相器(E/D),U2管栅、 源极之间短路,
2、UGS2=0, 等效负载约为rds2, 阻值较大, 增益也较大, U2管同样存在背栅效应。 当Ui=0 时, U1管截止, 输出为高电平; 当Ui=1 时, U1管导通, 输出为低电平。,4、CMOS反相器 P管衬底接UDD, N管衬底接地, 栅极与各自的源极相连, 消除了背栅效应, 而且P管与N管轮流导通截止, 输出不是0就是UDD, “无比电路”,4.2.2 CMOS反相器功耗 1. 静态功耗PS 当Ui=0 时, U1截止, U2导通, Uo=UDD(“1”状态)。 当Ui=UDD(“1”)时, U1导通, U2截止, Uo=0(“0”状态)。 因此, 无论Ui是“0”或“1”, 总有一
3、个管子是截止的, ID=0 故静态功耗 PS=IDUDD=0,2. 动态功耗(瞬态功耗)PD 1) 对负载电容CL充放电的动态功耗PD1交流开关功耗 如图所示, 设输入信号Ui为理想方波。 当Ui由“0”“1”时, 输出电压Uo由“1”“0”, U1导通, U2截止, IDN使CL放电(反充电), Uo下降。 当Ui由“1”“0”时,输出电压Uo由“0”“1”, U1截止, U2导通, IDP给CL充电, Uo上升。 因此, 在输入信号变化的一段时间内, 管子存在电流和电压, 故有功率损耗。,2. 动态功耗(瞬态功耗)PD,2) 一周内CL充放电使管子产生的平均功耗,式中Tc为输入信号周期。,
4、(4 - 5a) (4 - 5b),2. 动态功耗(瞬态功耗)PD,2) 一周内CL充放电使管子产生的平均功耗,式中Tc为输入信号周期。,故,(4 - 5a) (4 - 5b),3) Ui为非理想阶跃波形时引入的动态功耗PD2直流开关功耗,当输入信号不是理想阶跃变化时,,对NMOS管, UGSN=Ui, 则 (1) 当UGSN=UiUTHN时, NMOS导通。,对PMOS管, UGSP=Ui-UDD, 则 (1) 当|UGSP|=|Ui-UDD|UTHP|时, PMOS管导通。,3) Ui为非理想阶跃波形时引入的动态功耗PD2直流开关功耗,在t1t2, t3t4时间段内, NMOS管和PMOS
5、管同时导通, iDN=iDP0, UDSN、 UDSP 也不为0, 产生瞬态功耗PD2, 该电流贯穿NMOS管和PMOS。 设电流峰值为IDM, 其平均电流近似为IDM/2, 那么, 电源供给的平均功率(也就是管子消耗的平均功率)为,总的反相器功耗 PD=PD1+PD2 由以上分析可得结论: 要降低功耗, 必须要按比例减 小管子的尺寸(CL减小), 特别是减小供电电压UDD。,VIN (V),VOUT (V),4.2.3 CMOS反相器的直流传输特性 随着Ui由小变大(0UDD), 反相器的工作状态可分为5个阶段来描述,VIN (V),VOUT (V),NMOS截止 PMOS线性,NMOS饱和
6、 PMOS线性,NMOS饱和 PMOS饱和,NMOS线性 PMOS饱和,NMOS线性 PMOS截止,a,b,c,d,e,f,Vout=Vin-VTHN,Vout=Vin-VTHP,4.2.3 CMOS反相器的直流传输特性 随着Ui由小变大(0UDD), 反相器的工作状态可分为5个阶段来描述,电流方程如下:设 VTP=-VTN,VTNVINVOUT+VTP时: N管饱和,P管线性 由In=-Ip得: 如图bc段,0VINVTN时: N管截止 P管线性(VINVTN) P管无损地将VDD传送到输出端:VOUT=VDD, 如图ab段。,1. AB段,2. BC段,VOUT+VTPVINVOUT+VT
7、N时: N管饱和,P管饱和 由In=-Ip得: VOUT与VIN无关(VOUT与VIN关系为一条垂直线,在一级近似下得到),称为CMOS反相器的逻辑阈值电压VTH,或转换电压,如图c d段。,VOUT+VTNVINVDD+VTP时: N管线性,P管饱和,由In=-Ip得: 如图d e段。,3. CD段,4. DE段,VDD+VTPVINVDD时: N管线性 P管截止 VOUT=0 如图e f 段。 CMOS反相器有以下优点: (1) 传输特性理想,过渡区比较陡 (2) 逻辑摆幅大:Voh=VDD, Vol=0 (3) 一般VTH位于电源VDD的中点,即VTH=VDD/2,因此噪声容限很大。 (
8、4) 只要在状态转换为be段时两管才同时导通,才有电流通过,因此功耗很小。 (5) CMOS反相器是无比(Ratio-Less)电路,利用P、N管交替通、断来获取输出高、低电压的,而不象单管那样为保证Vo足够低而确定P、N管的尺寸。,5. EF段,4.2.4 CMOS反相器的噪声容限 所谓噪声容限, 是指电路在噪声干扰下, 逻辑关系发生偏离(误动作)的最大允许值。 若输入信号中混入了干扰, 当此干扰大过反相器输入电压阈值时, 则使原本应该是高电平的输出信号翻转为低电平, 或使原本应该是低电平的输出信号翻转为高电平。,以输入阈值电压UiT为界, 则低端的噪声容限为UNL, 高端的噪声容限为UNH
9、, 有 UNL=UiT UNH=UDD-UiT 若要使高端噪声容限和低端噪声容限相等, 即 UNL=UNH,称此时的噪声容限为最佳噪声容限。 从式,若P管阈值电压UTHP与N管阈值电压UTHN相等, 则得 N=P,导电因子,要求P管的尺寸比N管大 24 倍,如果沟道长度设计成一样的, 则P管的沟道宽度要比N管大, 即,如果取,则,那么UiT偏小(左移), UNLUNH。,噪声容限的另一种定义是以两个单位增益点为界, 此时, 低电平噪声容限和高电平噪声容限的规定将更为严格, 且有,N=P, 的,反相器版图, NP的,反相器版图,4.2.5 CMOS反相器的门延迟、 级联以及互连线产生的延迟 1.
10、 CMOS反相器的延迟分析模型 用于CMOS反相器延迟分析的RC模型如图所示, 将管子导通时的电流电压关系等效为一个电阻, 其中RP表示P管导通时的等效电阻, RN表示N管导通时的等效电阻; RL为连线电阻, CL为负载电容。 如果反相器级联, 那么CL代表下一级反相器的输入栅电容。,2. RP、 RN的估算 在Ui从0到UDD变化的过程中, N管的工作状态由截止区饱和区(恒流区)线性区变化。 其中线性区的电压为 , 饱和区的电压为Usat=UDD, 线性区电阻Rlin和饱和区电阻分别为,取其平均值做为N管的等效电阻RN, 则,式中, 饱和区电流Isat和线性区电流Ilin分别为,RN和RP的
11、比值 因为电阻与电流成反比, 在电源电压和阈值电压相同的条件下, 电流与导电因子N(或P)成正比, 故,所以,近似式,同等尺寸下的N管和P管等效电阻,3. CMOS反相器上升时间tr、 下降时间tf、 延迟时间td的计算 1) tr、 tf、 td的定义 tr: 输出电压Uo从0.1UDD上升到0.9UDD所需的时间(UDD为Uo的振幅)。 tf: 输出电压Uo从0.9UDD下降到0.1UDD所需的时间。 td: Uo从0上升到0.5UDD所需的时间。 暂令RL=0, 则CL充放电电路如图所示。,(a) CL充电电路; (b) CL放电电路,2) tr、 tf的计算 CL充电期Uo(t)表达式
12、为,CL放电期Uo(t)表达式为,根据tr和tf的定义, 得 tr=2.2RPCL tf=2.2RNCL,3) 非门延迟时间td的计算 非门延迟时间分上升延迟时间tdr和下降延迟时间tdf, 总的平均延迟时间td为,如果输入为理想阶跃波形, 那么经过一级非门以后其延迟时间为,式中tr为反相器的上升时间, tf为反相器的下降时间。 经过两级反相器的延迟时间为,4. 连线延迟 采用多晶硅做连线时, 可将其等效为若干段分布RC网络的级联, 使信号传输速度下降, 产生延迟, 如图所示。,连线产生的延迟近似为,式中: r单位长度连线电阻; C连线分布电容; l连线长度。,连线延迟,原理图,物理上的连线 金属:Al、Cu 多晶硅,硅化物,可忽略延迟效应的最大允许长度,5. 逻辑扇出延迟 如果一个反相器同时驱动多个反相器, 称之为门的扇出, 扇出系数F0表示被驱动的门数, 如图所示。,所有扇出门的输入电容并联作为驱动门的负载电容CL, 故CL增大了, 门的延迟时间也将增大, 而且互连线的影响也变大, 其延迟时间可近似为 tdF(m+F0)td1,式中: m由互连线增多而带来的影响; F0由扇出门带来的影响; td1单个门的延迟时间(F0=1时)。 多级扇出、 多级传输时, 延迟将加剧,tdF(m+F0)td1,