北京大学：《集成电路原理与设计 Principle of Integrated Circuits》课程电子教案（数字集成电路原理与设计）chap4-1 第四章 CMOS单元电路 4.2 反相器瞬态特性

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Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation cMos反相器 4.1cMos反相器的直流特性 4.2cMos反相器的瞬态特性 43CMos反相器的设计

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 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 直流特性和瞬态特性 直流特性有助于我们理解反相a PMOS res NMOS sat 器中器件的工作状态和电路的 nMos sat 噪声特性 MOS Sa ■瞬态特性,即输入信号随着时3 PMOS sat NMos res PMOS off 间变化过程中,输出信号的变 0.511.522.5 化情况 瞬态特性决定着电路的速度 0.9VOH 0.1oH

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 Vo u t 0.5 1 1.5 2 2.5 V in 0.5 1 1.5 2 2.5 N M O S r e s P M O S o f f N M O S sa t P M OS sat N M O S o f f P M O S r es N M O S s at P M O S r es N M O S r es PM O S sat VOL VOH 0.9VOH 0.1VOH t f t r Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 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) OH vout不会立刻反相 (2) Issue:Vout不会立刻反相 的原因? (3)上升时间 rise-time/下降时 0. 9VOH 间 falll-time(tr/t的定义 0.1 上升时间:输出从逻辑摆幅的10% 10%变化到90% 下降时间:输出从逻辑摆幅的90% 90%变化到10

4 1、上升时间和下降时间 VOL VOH 0.9VOH 0.1VOH t f tr (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) Issue：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% VDD Vin Vout Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 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 L DP (2)Ip是随输出变化的 Vout|VTp|,PMoS在线性区 t=0

5 分析上升时间的等效电路 V DD CL t = 0 Vin DP out L I dt dV C  Vout = VDD Vin = 0 VDD (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 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software tp://www.foxitsoftware.comForevaluationonly 推导上升时间 0,fPo (a)充电电流的变化 b)输出电平的变化 1T=mPMo饱和\C(-m-Fm) d 归一化 du KpVD 积分求解 P da 2)Jout>- P PMOS线性 P u-d P 积分求解 1+l2-2cp P 上升时间 t1=t1(l1=0.1)+t2(2=09)

6 推导上升时间 )1  VV TPout )2  VV TPout PMOS饱和  2 DDTPP out L 0 d d VVK t V C    DDP L r 2 P r ,1 1 d d VK C t u    归一化 积分求解    2 P 1 Pr 1 1       u t PMOS线性      2 P 2 P r 1 1 d d   u  t u 积分求解               2 P2 P r 2 1 21 ln 12 u u t    上升时间 )9.0()1.0( ututt 2211r  VDD CL t = 0 Vin Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 上升过程充电电流的变化 09 Vout/ au */a a)充电电流的变化 b)输出电平的变化 0.1 1.9-2a Issue (1-ap 0.1 公式适用范围 0.1<aP≤0.9 r K DD

7 上升过程充电电流的变化   DDP L P P P P VK C r rrt                 1.0 29.1 )1(2 1 )1( 1.0 2 ln Issue： 公式适用范围 0.1 0.9   P Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 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 out C (2) Issue:IDN的计算? vout> Von-VTH NMOS饱和; vut< VDp-VIN NMOS线性 1.9-2a 1 0.1 Kuk NIDD 0.1≤aN≤09

8 分析下降时间的等效电路 CL t = 0 Vin Vout DN out L I dt dV C      DDN L f N N N N ff VK C t                            , 1.0 29.1 ln 12 1 1 1.0 2 (1) 与上升电路类似的分析： 通过NMOS对Vout节点的 电容放电 (2) Issue：IDN的计算？ Vout>VDD-VTN NMOS饱和； Vout<VDD-VTN NMOS线性 0.1 0.9    N Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 2、反相器的传输延迟时间 电路的工作速度取决于 传输延迟时间 输入信号变化50%到 输出信号变化50%的 时间 Lout Vor ■根据输出信号情况,分o 为上升延迟和下降延迟 时间 1o It 12 I3

9 2、反相器的传输延迟时间  电路的工作速度取决于 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 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 阶跃输入:上升延迟: 0,fPo (a)充电电流的变化 b)输出电平的变化 Iam- P PMOS线性 P u-d P 积分求解 1+l2-2cp 上升延迟时间 t1=1(l1=0)+t2(2=0.5)

10 阶跃输入:上升延迟 )1  VV TPout )2  VV TPout PMOS饱和  2 DDTPP out L 0 d d VVK t V C    DDP L r 2 P r ,1 1 d d VK C t u    归一化 积分求解    2 P 1 Pr 1 1       u t PMOS线性      2 P 2 P r 1 1 d d   u  t u 积分求解               2 P2 P r 2 1 21 ln 12 u u t    上升延迟时间 )5.0()0( ututt 2211r  Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only