V0
Vdd
0≤Vi<Vtn时： n截止 p线性 （Vi<vtn<v0+Vtp） p管无损地将Vdd传送到输出端：
Vth
V0=Vdd， 如图a——b段。 Vtn≤Vi<V0+Vtp时： n饱和 p线性 由In=-Ip得：
a----b b----c c----d d----e e----f
Vi
一、结构特点
第二节 CMOS反相器
IN
nMOS和pMOS交替导通 高电Dep平artm－ent“of M1ic”roe为lectrVonDicsD, P，KU低，X电iaoy平an L－iu “0”为
二、CMOS反相器的直流电压传输特性
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dVOUT 1 dVIN
VOUT VIN dVOUT 1 dVIN
VIL VM VIH
VTC－直流下，将Vout描述为Vin的函数
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阈值电压 VM－VTC曲线中 VOUT VIN 的点
VOH：当输出电平为逻辑“1”时的最小输出电压，转折点
理想情况
再生能力抑制噪声
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再生的条件
为了具备再生能力，在VTC的不定区域具有大于1的增益
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最大噪声容限
理想反相器
IDp

1 Wp 2 Lp
pCox
VIN VDD VTp
2
对上式求导
dVOUT 1 dVIN
VIN＝VIH
kn VIH VTn 2VOUT kp VIH VTp VDD
VIH
VDD VTp kR (VTn VOUT ) 1 k Department of MicroRelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
第三章 CMOS反相器
第一节 反相器的特性 第二节 CMOS反相器 第三节 CMOS反相器的设计 第四节 环振和反相器链
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第一节 反相器的特性
一、直流特性
1、定义
符号
真值表
反相器是实现只有一个输入变量的最基本的逻辑门电路
time
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电路的优值
• 功耗－延迟积 Power-delay product (PDP) = Pav * tp = (CLVDD2)/2 – PDP 每个开关动作所需的平均能量 (Watts * sec = Joule)
Tp
DD
R Tn
V IL 1 k Department of MicroRelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
VIH的确定
在VIN＝VIH处，nMOS处于线性区，pMOS处于饱和区
IDn

1 2
Wn Ln
nCox
2
VIN VTn
VOUT VOUT 2
Ln
nCox
VIN VTn
2

Wp Lp
pCox
2
VIN VDD VTp
VOUT VDD
VOUT VDD
2
对上式求导
dVOUT 1 dVIN
VIN＝VIL
kn VIL VTn kp 2VOUT VIL VTp VDD
2V V V k V OUT
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Watts Watts
功率和能量
功率是指曲线的高度
简单的低功耗设计只需降低速度
Approach 1
Approach 2
time 能量是指曲线的面积
上述两种方法的能量相同 Approach 1
Approach 2
CMOS反相器直流特性的计算
Tp Ip
Vi
V0
Tn
In
Vi为低电平时：Tn截止，Tp导通，VoH=Vdd Vi2为高电平时：Tn导通，Tp截止，VoL=0
电流方程如下：设 Vtn=-Vtp

V V 0 0
通常阈值 电压固定 VTn＝-VTp VM受kR＝kp/kn （kR反相器的比 Department of Microelectronics, PKU，Xi例aoya因n L子iu 的控制）
对称情形
VTn＝-VTp
若 n 2p
此时为理 想反相器 的值
通常
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nVtn p Vdd Vtp
n p
Vth
V0与Vi无关，如图c——d段。
V0+Vtn<Vi≤Vdd+Vtp时：
VIL的确定
在VIN＝VIL处，nMOS处于饱和区，pMOS处于线性区
IDn

1 2
Wn Ln
nCox
VIN VTn
2
IDp

1 Wp 2 Lp
pCox
2
VIN
VDD
VTp
VOUT VDD
VOUT VDD
2
Wn
在对称情形中 VTn＝-VTp
VIH＋VIL＝VDD
低电平信号的噪声容限NML： NML＝VIL－VOL＝VIL
高电平信号的噪声容限NMH： NMH＝VOH－VIH ＝ VDD－VIH
具有相等的噪 声容限
NML＝NMH
非对称情形1 一旦VIN>VTn, NMOS开启，即导通
非对称情形2 一旦VIN低于
PLH
输入电压下降到V50%时和输出电压 上升到V50%时之间的延迟时间
延迟时间tp
三、功率和能量
• 功率，Power 单位：瓦 Watts – 单位时间内的能量，决定了电池的寿命
峰值功率 – 影响电源线的布置、封装、噪声和可靠性
• 能量 单位：焦耳 Joules Energy = power * time（delay） – Joules = Watts * seconds – 电路较低的能量意味着在同样频率下执行同样的操作需要较低的 功率
2
0.15
1.5
0.1
1
0.05
0.5
Gain=-1
0
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vin (V)
Vin (V)
器件的阈值电压始终不变
直流导通电流随输入、输 出电平的变化而变化，在 VIN＝VM时最大
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3、噪声容限
定义噪声容限：数字电路中对噪声的 容忍量。 电路的抗噪声干扰能力随噪 声容限（NM）的增加而增加。
NMH
低电平信号的噪声容限NML：
NML＝VIL－VOL
NML
高电平信号的噪声容限NMH： NMH＝VOH－VIH
Noise Margin
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dd

tp

i
截止
dd

I
p



p
2
V iV tpV dd
V V V V V 2

饱和
0
tp i
dd
tp

p 2

V
i
V
tp
V
dd
2

V iV tpV 0
V V V 2





i

0
线性
tp
– 能量－延迟积 Energy-delay product (EDP) = PDP * tp = Pav * tp2
b
c
aay better
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反相器中功耗
E = CL VDD2 P01 + tsc VDD Ipeak P01 + VDD Ileakage
, PMOS开启，即导通
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KR KR KR KR
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电源电压VDD的变化
Vout (V) Vout (V)
2.5
0.2

i
截止
tn


In
n
2
V iV tn
V V V V 2

饱和
tn
i
0
tn

n 2

V iV tn
2

V iV tnV 0
V V 2





0