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， 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 - 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 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+VTN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。 (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， 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. 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,