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 4.1 反相器直流特性

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第四章 CMOS单元电路 4.1 反相器直流特性 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 cMos反相器 41cMos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 Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 反相器的逻辑符号 CMOS Inverter ou t L out 点 Vin作为PMOS和NMOS的共栅极; Vout作为共漏极; VDD作为PMOS的源极和体端; GND作为NMOS的源极和体端

3 CMOS Inverter VDD Vin Vou t t 特点： Vin作为PMOS和NMOS的共栅极； Vout作为共漏极； VDD作为PMOS的源极和体端； GND作为NMOS的源极和体端 V V in out 反相器的逻辑符号 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 Two Inverters Share power and ground Abut cells Connect in Metal 标准单元形式的门电路的版 图设计 通过等高的设计共享电源和 地线 通过邻接的设计减小面积

4 Two Inverters Connect in Metal Share power and ground Abut cells VDD 标准单元形式的门电路的版 图设计 通过等高的设计共享电源和 地线 通过邻接的设计减小面积 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 CMOS反相器的直流特性 vvin=0, NMOS截止,PMOS导通, 0 稳态out=VDD,“1 vVin=VDD,NMOs导通,PMOS截止, 稳态out=0 反相器的工作特点 out=vin DD 0/√稳态单管导通,没有直通电流 5

5 CMOS反相器的直流特性 Vin=0，NMOS截止，PMOS导通， 稳态Vout= VDD , “1” ； Vin= VDD，NMOS导通，PMOS截止 , 稳态Vout=0； Vin = VDD VDD Vout = 0 Vout = VDD Vin = 0 V DD 反相器的工作特点：  Vout=Vin； 稳态单管导通，没有直通电流 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 反相器中 MOSFET的工作区域 缩写对照: N-O NMOS Off out Vout +VTp=Vin N-L NMOS Linear N-S NMOS Saturation N-O N-s yout+y P-O PMOS Off P-L P-L P-L PMOS Linear P-S PMOS Saturation N-s N-O N-LN-L P-S P-S P-0

6 反相器中MOSFET的工作区域 VDD Vin Vout N-O N-L N-S P-O P-L P-S NMOS Off NMOS Linear NMOS Saturation PMOS Off PMOS Linear PMOS Saturation 缩写对照： N-S P-O Vin Vout 0 V V TN VDD V DD + TP N-O P-L N-S P-L N-S P-S N-L P-S N-L P-O N-O P-S Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin 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 Voltage Transfer Characteristic(VTC// py p N-O N-S N-S N-O N-L Po→vin DD十TP D Vout 5 Vin/au 分析直流特性的出发点 直流条件下投有输出电流 满足:N=Dp

7 分析直流特性的出发点： 直流条件下没有输出电流 满足：IDN=IDP Voltage Transfer Characteristic(VTC) Vin Vout 0 V V TN VDD V DD + TP N-O P-L N-S P-L N-S P-S N-L P-S N-L P-O N-O P-S N-S P-O VDD Vin Vout Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator r @Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly Vout +VTp=vin 1、反相器的VTC VDD+ ViP 0<Vmn≤IN 特点:N-0&PL DP DD I=0 2、V<V<V+V特点:N-s&PL KNV-V Vout K K K 比例因子

8 1、反相器的VTC 1、 特点：N-O & P-L 2、 特点： N-S & P-L 0   V V in TN     2 2 0 , DP P in TP DD in TP out DN out DD OH DD I K V V V V V V I V V V V                V V V V TN in out TP                2 2 2 1 2 2 2 P in TP DD in TP out N in TN out in TP in TP DD r in TN N r P K V V V V V V K V V V V V V V V K V V K K K                        比例因子 VDD Vin Vout Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator r @Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly yout +Vrp=vin yout+v 反相器VTC 3、Won+Vmp≤Vin≤on+Vn特点:N-5&P-5 K TP nN+√VK(Tm+Vm) 1+、1/K nN+√K,(Dm+Vm)√KFn+b+ 1+、1/K, 反相器的逻辑阈值电平(逻辑转折点)

9 反相器VTC 3、 V V V V V out TP in out TN     特点：N-S & P-S     2 2 K V V K V V V N in TN P in TP DD         TN r DD TP in r TN r DD TP r TN DD TP it r r 1 1 1 1 = 1 1 1 V K V V V K V K V V K V V V V K K            反相器的逻辑阈值电平（逻辑转折点） Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator r @Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly Vout +rp=vin 反相器ⅴTC yout+v 4、Vmn+nN<m<VbVm特点:ML&Ps K、(V- TP TP V≥D≥T、+V 特点:N-L&P-O KN[(-m)2-(--m)]=m=0 =0 o=0 ut cMos反相器实现全摆幅

10 反相器VTC 4、 特点：N-L & P-S 5、 特点： N-L & P-O V V V V V out TN in DD TP           2 2 2 K V V V V V K V V V N in TN in TN out P in TP DD                  1 2 2 2 out in TN in TN in TP DD r 1 V V V V V V V V K              V V V V DD in DD TP        2 2 N in TN in TN out 0 K V V V V V IDP           out 0 V  OL   0 V CMOS反相器实现全摆幅 Vout +VTP=Vin Vout+VTN =Vin Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only