1、第四章 CMOS单元电路,4.2 反相器瞬态特性,2,CMOS反相器,4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 4.3 CMOS反相器的设计,3,直流特性和瞬态特性,直流特性有助于我们理解反相器中器件的工作状态和电路的噪声特性 瞬态特性，即输入信号随着时间变化过程中，输出信号的变化情况 瞬态特性决定着电路的速度,4,1、上升时间和下降时间,(1) 出现上升/下降的原因:Vin跳变(由0到1，或相反)，Vout不会立刻反相 (2) Vout不会立刻反相的原因？ (3) 上升时间 rise-time/下降时间 fall-time (tr/tf)的定义,上升时间: 输出从逻
2、辑摆幅的10%10变化到90%,下降时间: 输出从逻辑摆幅的90%90变化到10%,5,分析上升时间的等效电路,(1) 物理思想：通过PMOS对Vout节点的电容充电(2) IDP是随输出变化的Vout|VTP|, PMOS在线性区,6,推导上升时间,PMOS饱和,归一化,积分求解,PMOS线性,积分求解,上升时间,7,上升过程充电电流的变化,Issue： 公式适用范围,8,分析下降时间的等效电路,(1) 与上升电路类似的分析：通过NMOS对Vout节点的电容放电(2) IDN的计算VoutVDD-VTN NMOS饱和；VoutVDD-VTN NMOS线性,9,2、反相器的传输延迟时间,电路的
3、工作速度取决于传输延迟时间 输入信号变化50到输出信号变化50的时间 根据输出信号情况，分为上升延迟和下降延迟时间,10,阶跃输入:上升延迟,PMOS饱和,归一化,积分求解,PMOS线性,积分求解,上升延迟时间,11,传输延迟时间：阶跃输入,输入信号变化到输出信号变化50的时间,取：,12,反相器的速度,用平均延迟时间表示一般情况下的速度,13,传输延迟：非阶跃输入近似,利用电流传送电荷的时间 电压变化VDD/2 电流取饱和电流的一半 精确的结果可以利用SPICE仿真,14,延迟时间：影响因素,上升和下降时间同电路充放电的电流和电容有关 因此，同器件的阈值电压，导电因子和电路的电源电压和负载电
4、容有关,15,CMOS反相器的负载电容,16,提高反相器的速度,增加器件的宽长比会同时增加导电因子和器件的栅电容和漏区电容 对于固定的大负载电容可以通过增加器件尺寸提高速度 对于小负载，反相器速度不会随着尺寸出现明显增加,17,瞬态响应：仿真波形,tpLH,tpHL,18,电路的最高工作频率,19,环形振荡器的频率,20,CMOS反相器,4.1 CMOS反相器的直流特性 4.2 CMOS反相器的瞬态特性 NMOS反相器,21,CMOS和NMOS反相器结构比较,2个可控开关 开关 + 常导通负载,22,1、饱和负载NMOS反相器,负载特性,2个增强型NMOS组成, M1是可控开关,驱动管, 负载
5、管M2总是在饱和区,23,饱和负载反相器的直流电压传输特性,2.,M1截止，M2饱和,ID1=ID2=0, Vout=VOH=VDD-VT,1.,M1饱和，M2饱和,3.,M1线性，M2饱和,要求Kr 1，有比电路,输出低电平时有直流电流,阈值损失,24,饱和负载反相器的上升时间,上升过程,归一化,25,饱和负载反相器的下降时间,下降过程,忽略M2的电流,归一化,26,2、电阻负载NMOS反相器,负载特性,一个多晶硅电阻做负载,27,电阻负载反相器的VTC,2.,M1截止,ID1=IR=0, Vout=VOH=VDD,1.,M1饱和,3.,M1线性,28,电阻负载反相器的瞬态特性,上升过程,下降过程, 忽略负载电流与CMOS反相器相同,29,CMOS和NMOS反相器直流特性比较,饱和负载 耗尽型负载 电阻负载 CMOSVOH VDD-VT VDD VDD VDDVOL Kr K1/K2 KE/KD VDDRLK1 KN/KPKr=5 VOL= 0.53 0.1 0.63 0Ion,30,直流电压传输特性比较,31,CMOS和NMOS反相器瞬态特性比较,上升,下降时间比较,注意：不同电路的r 和f 是不同的,32,CMOS电路的优点,无比电路, 具有最大的逻辑摆幅 在低电平状态不存在直流导通电流 静态功耗低 直流噪声容限大 采用对称设计获得最佳性能,
