反相器电路版图及特性课件.pptx

1、1、反相器晶体管电路图、工作原理VinM1M2OUT0 offon 11 onoff 0真值表PMOSNMOS(1) 当当Vin=0时，时，VGS2=-5V, VGS1=-0V |VGS2|Vthp|, VGS1Vthn PMOS导通导通 NMOS截止截止 output=1(2) 当当Vin=1时，时，VGS2=0V, VGS1=+5V |VGS2|Vthn PMOS截止截止 NMOS导通导通 output=0Effects of changing the bn/bp Ratio=KPn*W/L在工艺相同的情况下，一般KPn=3KPp如果要使得n= p则必须要满足（W/L)p=3(W/L)n2

2、、反相器的时序特性(1)Rise and Fall times are measured between the 10% and 90% points in a transition. (tr 和和tf 的定义）的定义）(2)Delay time is measured between the 50% point in the input and the 50% point in the output.反相器的延迟延迟时间的计算延迟时间的计算(估算）估算）loadoutptotpPLHCCRCRtloadoutntotnPHLCCRCRttP=(tPLH+tPHL)/2，如果要使tPLH=tP

3、HL则要Rp=Rn，也就是n= p，则必须要满足（W/L)p=3(W/L)n，我们定义一个标准延迟单位的倒相器为： n= p， （W/L)p=3(W/L)n， (W/L)n=1/1, （W/L)p=3 ， 此时倒相器的标准延迟为T。（负载也为一个标准倒相器）。1112T2T22T反相器输出尖峰的形成尖峰是由于尖峰是由于Cgd电电容的存在，高频的容的存在，高频的输入信号通过它造输入信号通过它造成的成的.反相器的反转点(了解）(1) 反相器的输入信号和输出信号相等的点叫反转点。反相器的输入信号和输出信号相等的点叫反转点。(2) 在反转点流过在反转点流过NMOS和和PMOS的电流相等。的电流相等。(

4、3) Therefore VSP is given by:2222THPSPDDpTHNSPnVVVVVbbpnpnTHPDDTHNSPVVVVbbbb1Power Consumption(1)功耗和频率功耗和频率f成正比，和成正比，和VDD2成正比。成正比。clkDDLoadDDLoadavgDDavgfVCTVCIVP223、反相器的版图单个晶体管版图1253TransistorW(器件沟道宽度器件沟道宽度)L(沟道长度沟道长度)CMOS Process Layers(CMOS 工艺层次)LayerPolysiliconMetal1Metal2Contact To PolyContact

5、To DiffusionViaWell (p,n)Active Area (n+,p+)ColorRepresentationYellowGreenRedBlueMagentaBlackBlackBlackSelect (p+,n+)GreenIntra-Layer Design Rules(设计规则) 规定各层次的最小宽度和最小间距,相关层次之间的最小间距.Metal2431090 WellActive33Polysilicon22Different PotentialSame PotentialMetal1332Contactor ViaSelect2or62HoleNWELL(N阱)Po

6、ly(多晶硅)P+(P扩散)N+(N扩散)Contact(接触孔)Metal(金属) 反相器版图CMOS层次MASK1#MASK2#MASK3#MASK4#MASK5#MASK6#掩模版层次版图文件:GDSII,CIF格式版图设计生成MASK交给工厂生产版图设计工程师完成掩模工厂完成芯片前道工厂完成版版图图处处理理流流程程两种典型的倒相器版图(Two Typical Inverter Layout Styles)4、闩锁效应(Latch-up)* 此尖峰可以导致闩锁效应此尖峰可以导致闩锁效应(latch-up).* 通过通过C2 电容的下降沿尖峰使得晶体电容的下降沿尖峰使得晶体管管Q2导通导通

7、.* 电流流经晶体管电流流经晶体管 Q2 导致导致RW1 和和 RW2 上的电压下降上的电压下降 ,并使得并使得Q1管导通管导通.* 流经流经 晶体管晶体管Q1 的电流在电阻的电流在电阻 RS1 和和 RS2 上产生压降上产生压降,使得使得Q2进一步导通进一步导通.* 通过通过C1的上升沿尖峰具有和前面同的上升沿尖峰具有和前面同样的效果样的效果.闩锁效应的解决方法(Solutions to Latch-up)1、放慢上升、放慢上升/下降时间来减少尖下降时间来减少尖峰的幅度峰的幅度.2、缩小漏极区域的大小来减少、缩小漏极区域的大小来减少电容电容 C1 和和 C2值值.3、把衬底和阱接触靠近晶体管

8、、把衬底和阱接触靠近晶体管的漏极来减小电阻的漏极来减小电阻 RW1 和和 RS2 的值的值.4、将、将 n+ 和和 p+ 区域围绕关键电区域围绕关键电路路. 这些措施这些措施(叫做叫做 保护环保护环) 是很有效是很有效,但是很占空间限制但是很占空间限制了多晶硅作为互连层的作用了多晶硅作为互连层的作用.5、需要大电流驱动的情况下，需要大电流驱动的情况下，尽量使用无需尽量使用无需PMOS的电路的电路结构。结构。 *多级驱动用于改善大负载时多级驱动用于改善大负载时的开关时间的开关时间.*比例因子可以用比例因子可以用:*优化的驱动级的数目可以用优化的驱动级的数目可以用公式表示：公式表示：*多级驱动器的

9、延迟：多级驱动器的延迟：5、驱动大负载(Driving Large Loads)NinloadCCA111lninloadCCN 111111 )(ininloadoutpnTotalPLHPHLDelayCCCCRRNtttNCload = 20pF大晶体管的版图(Layout of Large Transistors)分布式线驱动器(Distributed Line Drivers) （了解）inoutpnPLHPHLCCRRtt1011inoutpninoutinoutpnPLHPHLCCRRCCCCRRtt72 551111驱动长线Driving Long Lines (Transmi

10、ssion Line Issues)(了解）* 第一项是倒相器驱动总电容产生的延迟第一项是倒相器驱动总电容产生的延迟.* 第二项第二项Second term is the delay associated with the transmission line.* Third term is the charging time of the load through the line resistance.loadloadoutpnPLHPHLClrrclClcCRRtt21135. 0其他倒相器电路(Other Inverter Circuits)（了解）*电路电路 a) 是是NMOS 倒相器倒相器,可以避免闩锁效应可以避免闩锁效应.*电路电路 b) 和和 c) 用用 PMOS 负载负载, 在实现多输入逻辑在实现多输入逻辑.*在所有的情况下在所有的情况下,负载器件的电阻至少是有源器件电阻的负载器件的电阻至少是有源器件电阻的4倍倍.线驱动器电路(Line Driver Circuits) （了解）*由于由于CMOS倒相器具倒相器具有闩锁效应有闩锁效应, 因此大输因此大输出驱动器通常采用只出驱动器通常采用只有有NMOS 晶体管来制晶体管来制造造.