CMOS反相器的分析与设计.pptx
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1、第3章 CMOS反相器的分析与设计3.1 CMOS反相器的结构和基本特性3.2 CMOS反相器的直流特性3.3 CMOS反相器的瞬态特性3.4 CMOS反相器的设计13.1 CMOS反相器的结构和基本特性NMOS管的衬底接地,管的衬底接地,PMOS管的衬底接管的衬底接VDD。输入端输入端栅极栅极输出端输出端?极?极如何判断分析器中如何判断分析器中NMOS和和PMOS器件的源漏区?器件的源漏区?是否有衬偏效应?是否有衬偏效应?23CMOS Inverter特点:特点:Vin作为作为PMOS和和NMOS的共栅极;的共栅极;Vout作为共漏极;作为共漏极;VDD作为作为PMOS的源极和体端;的源极和
2、体端;GND作为作为NMOS的源极和体端的源极和体端VVinout反相器的逻辑符号反相器的逻辑符号3.1 CMOS反相器的结构和基本特性若输入为若输入为“1”(Vin=VDD):VGSN=VDD,VGSP=0VNMOS导通,导通,PMOS截止截止输出输出“0”(Vout=0V)43.1 CMOS反相器的结构和基本特性若输入为若输入为“0”(Vin=0V):VGSN=0V,VGSP=VDDNMOS截止,截止,PMOS导通导通输出输出“1”(Vout=VDD)53.1 CMOS反相器的结构和基本特性无比电路无比电路数字电路中作为开关使用数字电路中作为开关使用(导通电阻导通电阻、截止电阻截止电阻)N
3、MOS下拉开关下拉开关,PMOS上拉开关上拉开关63.2 CMOS反相器的直流特性3.2.1 直流电压传输特性3.2.2 直流转移特性3.2.3 直流噪声容限73.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性输出电平与输入电平之间的关系输出电平与输入电平之间的关系:直流电压传输特性直流电压传输特性(VTC)NMOS与与PMOS可以同时导通可以同时导通:并始终有如下关系:并始终有如下关系:83.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性Vin=VTN的垂直线:NMOS截止/导通Vin=VDD+VTP的垂直线:PMOS导通/截止VinVTN=Vout的斜线:NMOS饱和区/线性区VinVTP=Vout的
4、斜线:PMOS线性区/饱和区93.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性(1)0VinVTN,NMOS截止,PMOS线性Vin在一定范围变化(0VTN),Vout始终保持VDD。103.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性(2)VTNVinVout+VTP,NMOS饱和,PMOS线性Vout随Vin的增加而非线性地下降,Kr=KN/KP为比例因子。113.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性(3)Vout+VTPVinVout+VTN,NMOS饱和,PMOS饱和123.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性(3)Vout+VTPVinVout+VTN,NMOS饱和,PMOS饱和Vi
5、t:逻辑阈值电平(转换电平),VTC垂直下降如果VTN=-VTP,KN=KP,则Vit=VDD/2,Vout/Vin趋向于无穷大。133.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性(4)Vout+VTNVinVTP时,PMOS线性:Vout从VTP上升到V90%的时间:总上升时间:343.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间(2)阶跃输入的下降时间NMOS的导通电流是对负载电容放电的电流:VoutVDDVTN时,NMOS饱和:VoutVDDVTN时,NMOS线性:353.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间(2)阶跃输入的下降时间总的下降时间:若参数对称,则两时间相等。两时间
6、主要由负载电容和导电因子决定。363.3.2 CMOS反相器输出电压的上升/下降时间(3)非阶跃输入情况负载电容的充电或放电电流是NMOS和PMOS电流之差:计算复杂,很难给出解析解。上升/下降时间不仅与反相器的参数有关,还与输入信号的波形有关。373.3.3 CMOS反相器传输延迟时间的计算tPHL,tPLH,383.3.3 CMOS反相器传输延迟时间的计算近似认为tPLH内只有PMOS导通,tPHL内只有NMOS导通:用最大导通电流的一半作为平均电流:对称设计时:3940提高反相器的速度提高反相器的速度增加器件的增加器件的宽长比宽长比会同时增加导电因子和器件的栅电容会同时增加导电因子和器件
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