[信息与通信]大规模集成电路 第4章 数字集成电路设计基础2.ppt
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1、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,
2、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
3、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、(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
5、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
6、 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+VT
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