《集成电路原理与设计》课件4.2反相器瞬态特性.ppt

1、第四章第四章 CMOS单元电路单元电路4.2 反相器瞬态特性反相器瞬态特性2CMOS反相器反相器n4.1 CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性n4.2 CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性n4.3 CMOS反相器的设计反相器的设计3直流特性和瞬态特性直流特性和瞬态特性n直流特性描述反相器中直流特性描述反相器中器件的工作状态和电路器件的工作状态和电路的噪声特性的噪声特性n瞬态特性，即输入信号瞬态特性，即输入信号随着时间变化过程中，随着时间变化过程中，输出信号的变化情况输出信号的变化情况n瞬态特性决定着电路的瞬态特性决定着电路的速度速度VoutVin0.511.522.50.511.522

2、.5N M O S re sP M O S offN M O S sa tP M OS satN M O S offP M O S resN M O S s atP M O S resN M O S resPM O S satVOLVOH0.9VOH0.1OHVtftr41 1、上升时间和下降时间、上升时间和下降时间VOLVOH0.9VOH0.1OHVtftr(1)出现上升出现上升/下降的原下降的原因因:Vin跳变跳变(由由0到到1，或相反或相反)，Vout不会立不会立刻反相刻反相(2)Issue：Vout不会不会立刻反相的原因？立刻反相的原因？上升时间上升时间:输出从逻辑摆幅的输出从逻辑摆幅

3、的 10变化到变化到90%下降时间下降时间:输出从逻辑摆幅的输出从逻辑摆幅的 90变化到变化到10%VDDVVinout5分析上升时间的等效电路分析上升时间的等效电路VDDCLt=0VinDPoutLIdtdVCVout=VDDVin=0VDD(1)物理思想：通过物理思想：通过PMOS对对Vout节点的节点的电容充电电容充电(2)IDP是随输出变化的是随输出变化的 Vout|VTP|,PMOS在线性区在线性区VDDVVinout推导上升时间推导上升时间TPout)1VVPMOS饱和饱和2DDTPPoutL0ddVVKtVCDDPLr2Pr ,11ddVKCtu归一化归一化积分求解积分求解2P1

4、Pr11utVDDCLt=0Vinn饱和电流充电：输出电平为0到-Vtp期间n积分起点（t0，-Vtp）t07推导上升时间推导上升时间TPout)1VVTPout)2VVPMOS饱和饱和2DDTPPoutL0ddVVKtVCDDPLr2Pr ,11ddVKCtu归一化归一化积分求解积分求解2P1Pr11utPMOS线性线性2P2Pr11ddutu积分求解积分求解2P2Pr2121ln12uut上升时间上升时间)9.0()1.0(2211rututtVDDCLt=0Vin8上升过程充电电流的变化上升过程充电电流的变化DDPLPPPPVKCrrrt1.029.1)1(21)1(1.0ln2Issu

5、e：公式适用范围公式适用范围P0.10.99分析下降时间的等效电路分析下降时间的等效电路CLt=0VinVoutDNoutLIdtdVCDDNLfNNNNffVKCt ,1.029.1ln12111.02(1)与上升电路类似的分析：与上升电路类似的分析：通过通过NMOS对对Vout节点的节点的 电容放电电容放电(2)Issue：IDN的计算？的计算？VoutVDD-VTN NMOS饱和；饱和；VoutVDD-VTN NMOS线性线性N0.10.9102、反相器的传输延迟时间、反相器的传输延迟时间n电路的工作速度取决于电路的工作速度取决于传输延迟时间传输延迟时间n输入信号变化输入信号变化50到到

6、输出信号变化输出信号变化50的的时间时间n根据输出信号情况，分根据输出信号情况，分为上升延迟和下降延迟为上升延迟和下降延迟时间时间11阶跃输入阶跃输入:上升延迟上升延迟TPout)1VVTPout)2VVPMOS饱和饱和2DDTPPoutL0ddVVKtVCDDPLr2Pr ,11ddVKCtu归一化归一化积分求解积分求解2P1Pr11utPMOS线性线性2P2Pr11ddutu积分求解积分求解2P2Pr2121ln12uut上升延迟时间上升延迟时间)5.0()0(2211rututt12传输延迟时间：阶跃输入传输延迟时间：阶跃输入)43ln()1(21)1()1)(4ln(21)(2PPPP

7、rDDTPDDTPDDTPTPDDpLpLHVVVVVVVVKCtn输入信号变化到输出信号变化输入信号变化到输出信号变化50的时间的时间2P1Pr11ut2P2Pr2121ln12uut)5.0()0(2211rututt取：取：VDDCLt=0Vin13反相器的速度反相器的速度n用用平均延迟时间平均延迟时间表示表示一般情况下的速度一般情况下的速度tDDDDDVVVVVV1233210.5VV0.5pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtI14传输延迟：非阶跃输入近似传输延迟：非阶跃输入近似pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNL

8、LHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtIpr22rNP111211tKn利用电流传送电利用电流传送电荷的时间荷的时间n电压变化电压变化VDD/2n电流取饱和电流电流取饱和电流的一半的一半n精确的结果可以精确的结果可以利用利用SPICE仿真仿真VDDCLt=0Vin15延迟时间：影响因素延迟时间：影响因素21.5 212(1)0.5(1)lnPPPPLP DDpLHrCrK Vt上升上升/下降延下降延迟时间同电路充迟时间同电路充放电的放电的电流电流和和电电容容有关有关因此，同器件因此，同器件的的阈值电压，导阈值电压，导电因子电因子和电路的和电路的电源电压电源电压和和负载负载电容

9、电容有关有关pr22rNP111211tKpHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtIVDDCLt=0Vin16CMOS反相器的负载电容反相器的负载电容LDBNDBPNPox1NliiCCCWWLCCVDDCLt=0Vin17提高反相器的速度提高反相器的速度n增加器件的增加器件的宽长比宽长比会同会同时增加导电因子和器件时增加导电因子和器件的栅电容和漏区电容的栅电容和漏区电容n对于固定的大负载电容对于固定的大负载电容可以通过增加器件尺寸可以通过增加器件尺寸提高速度提高速度n对于小负载，反相器速对于小负载，反相器速度不会随着尺寸出现明度不会

10、随着尺寸出现明显增加显增加pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtILDBNDBPNPox1NliiCCCWWLCC21.5 212(1)0.5(1)lnPPPPLP DDpLHrCrK Vt1800.511.522.5x 10-10-0.500.511.522.53t(sec)Vout(V)瞬态响应：仿真波形瞬态响应：仿真波形tpLHtpHL19电路的最高工作频率电路的最高工作频率mrf12max(,)ft tn电路最高工作频率：由信电路最高工作频率：由信号可以达到全摆幅的上升号可以达到全摆幅的上升/下降时间决定下降时间决定VDDC

11、Lt=0Vin20环形振荡器环形振荡器“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”n奇数个反相器首尾连接，环形构成奇数个反相器首尾连接，环形构成n如果每个反相器都相同，则奇数个中间节点都如果每个反相器都相同，则奇数个中间节点都相同相同n当电路供电当电路供电VDD后，每个节点都会输出相同的后，每个节点都会输出相同的方波，形成振荡器方波，形成振荡器21环形振荡器环形振荡器p1 2tnf“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”n环振输出方波的频率由构成环振的反相器的延环振输出方波的频率由构成环振的反相器的延迟时间决定迟时间决定n环形振荡器可以方便的测量反相器的传输延迟环形振荡器可以方便的

12、测量反相器的传输延迟时间时间n环振也经常用于数字电路中产生时钟信号的电环振也经常用于数字电路中产生时钟信号的电路中路中22环形振荡器的频率环形振荡器的频率PHL2PLH3PHL1PLH2PHL3PLH1p1p2p3pp 2616Tttttttttttft“0”“0”“1”“1”“1”“1”“0”“0”23例例 题题1n某某0.5微米微米CMOS工艺，设工艺，设VDD=5V，VTN=1V，VTP=-1V，Cox=410-7 F/cm2，n=400 cm2/Vs、p=200 cm2/Vsn（1）反相器的）反相器的PMOS和和NMOS的宽长比分别的宽长比分别为为8和和4，则一个由，则一个由5级反相器构成的环振的级反相器构成的环振的频率为多少？（忽略频率为多少？（忽略PN结电容）结电容）n（2）如果在环振的其中一个节点增加一个）如果在环振的其中一个节点增加一个4fF电容，则频率变为多少？电容，则频率变为多少？pHLpLHpLHLpHLf2av,HLNLLHpLHr2av,LHP21111tttCVtICVtI24CMOS反相器反相器n4.1 CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性n4.2 CMOS反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性n4.3 CMOS反相器的设计反相器的设计