CMOS反相器的分析与设计.ppt
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1、第3章 CMOS反相器的分析与设计,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,2,3.1 CMOS反相器的结构和基本特性,NMOS管的衬底接地,PMOS管的衬底接VDD。 输入端栅极 输出端?极 如何判断分析器中NMOS和PMOS器件的源漏区? 是否有衬偏效应?,3,4,CMOS Inverter,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,反相器的逻辑符号,3.1 CMO
2、S反相器的结构和基本特性,若输入为“1”(Vin= VDD): VGSN = VDD , VGSP = 0V NMOS导通,PMOS截止 输出“0” (Vout = 0V),5,3.1 CMOS反相器的结构和基本特性,若输入为“0”(Vin = 0V): VGSN = 0V, VGSP=VDD NMOS截止,PMOS导通 输出“1” (Vout = VDD),6,3.1 CMOS反相器的结构和基本特性,无比电路 数字电路中作为开关使用(导通电阻、截止电阻) NMOS下拉开关, PMOS上拉开关,7,3.2 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、.3 直流噪声容限,8,3.2.1 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:直流电压传输特性(VTC) NMOS与PMOS可以同时导通: 并始终有如下关系:,9,3.2.1 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的斜线:PMOS线性区/饱和区,10,3.2.1 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。
4、,11,3.2.1 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。,12,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,(3) Vout+VTPVinVout+VTN,NMOS饱和, PMOS饱和,13,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,(3) Vout+VTPVinVout+VTN,NMOS饱和, PMOS饱和 Vit: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。
5、,14,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,(4) Vout+VTNVinVDD+VTP,NMOS线性, PMOS饱和 Vout随Vin的增加而非线性地下降。,15,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,(5) VDDVinVDD+VTP,NMOS线性, PMOS截止 Vin在一定范围变化(VDD+VTP VDD),Vout始终保持0。,16,3.2.1 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的斜线:PMOS线
6、性区/饱和区,17,18,3区的高度为两个阈值之和,Voltage Transfer Characteristic(VTC),Vout +VTP=Vin,Vout+VTN =Vin,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,理想VTC曲线: (1)为输出高电平区,(2)、(3)、(4)为转变区,(5)为输出低电平区。其中(3)表现为垂线段。 实际VTC曲线: (3)不再是垂线段;偏移。,19,3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性,VTC的偏移:,20,3.2.2 CMOS反相器的直流转移特性,直流转移特性:直流导通电流Ion随Vin的变化而发生的变化 VTC的输出高/低电平区: I
7、on = 0 VTC的转变区: Ion 0 Vin=Vit时, Ion达到最大值:,21,3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限,直流噪声容限:允许的输入电平变化范围 由单位增益点确定噪声容限: 在VTC的(2)区和(4)区,分别可以找到增益为1的位置; 分别作为输入低电平的最大值VILmax和输入高电平的最小值VIHmin;,22,3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限,如果Kr=1, VTN=VTP=VT,采用对称设计的CMOS反相器有相同的输入高电平和输入低电平的噪声容限。,23,3.2.3 CMOS反相器的直流噪声容限,由逻辑阈值确定噪声容限: 若Vit=VDD/2, VNHM =
8、VNLMVDD/2。 实际情况,VNHMVNLM,最大直流噪声容限由 minVNHM,VNLM 决定。,24,25,例 题,一个CMOS反相器,Kr=1,设VDD = 5V,VTN = 0.8V,VTP = -1V,Cox = 4.610-8 F/cm2,n = 500 cm2/Vs、p = 200 cm2/Vs。由逻辑阈值点确定的最大噪声容限为多少?,26,反相器的直流噪声容限,数字电路中信号在VDD和Gnd之间转换,各种干扰信号,可能使得电路中某些结点的信号电平偏离理想电平(VDD,Gnd),产生所谓的噪声 噪声会对电路的可靠性造成影响,i,(,t,),Inductive coupling
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