• B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS饱和导通，等效为电流源；PMOS等效为非线性电阻。在Idsn 的驱动下，Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。
• C区： Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区；PMOS也导通， 处于饱和区；均等效于一 个电流源。
• D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反，PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源；NMOS 强导通，等效于非线性电阻
Vi从0到1 CL放电
NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱 和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计 算。
22
CMOS反相器的瞬态特性(续2)
饱和状态 假定VC(0)=Vdd，恒流放电时间段
1 2nVddVtn2CLddV to
tf1nV 2 d d C L V tn20 V .9 d d V d d V tnd V o 2 C L nV 0 .d 1 d V d d V tn V 2 tn
Vdd • NMOS的源极接地，漏极接高电
位 • PMOS的源极接Vdd，漏极接低
电位
输入信号Vi加在两管g和s之间，由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vdd，所以Vi对两管参考电位不同。
14
CMOS反相器工作原理
• Vin为低电平VOL（VOL<Vtn）时， NMOS截止，PMOS导通，输出高电平 Vo = VOH
Vo<|Vtp|
24
CMOS反相器的瞬态特性(续4)
VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)
• 当输入端有至少一端为低电平时，T1工作在 深饱和状态，T2工作在截止状态，电路 截止，输出低电平VOH：
VOH=VCC-R2*IOH
6
电路特性
• 电压传输特性：电路的输出电压与输入电压的 关系
• 负载能力：电路在正常工作条件下可以驱动多 少个同类门，常用扇出No表示
• E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，NMOS导通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，与A区相反
18
CMOS反相器转移特性(3)
n/p对转移特性的影响
19
CMOS反相器转移特性(4)
PMOS和NMOS在5个区域中的定性
PMOS on+++ on++
on+
on
off
NMOS off
on
on+
on++ on+++
对于数字信号，CMOS反相器静态时，工作在A区 或E区
Vi = 0 (I = 0) Vi = Vdd (I = 1)
Vo = Vdd Vo = 0
( O = 1 ) Is-s= 0 ( O = 0 ) Pdc= 0
状态转换时：(I = 0) (I = 1) Is-s 0 (I =1) (I = 0) Ptr 0
集成电路设计
上一章 集成电路模拟
SPICE简介 SPICE电路输入语句 SPICE电路分析语句 SPICE电路控制语句
第五章 集成电路基本单元
1 双极型数字集成电路 2 CMOS数字集成电路 3 焊盘输入输出单元(I/O PAD) 4 模拟集成电路
3
双极型数字集成电路
•TTL(transistor-transistor logic)
非饱和状态 n V dsV tnV ds1 2V ds2 C Ld d V to
tf2CL
n
0.1Vdd VddVtn
dVo VddVtn Vo1 2Vo2
tf = tf1 + tf2
nVC ddLVtnln19VddV dd20Vtn 23
CMOS反相器的瞬态特性(续3)
Vi从1到0，CL充电 上拉管PMOS导通时先为饱和状态而后为 非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两 段来计算。
20
CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的输 入电容）的影响。 脉冲信号参数定义
上升时间tr Vo=10%VomaxVo=90%Vomax 下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Vomax 延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax
21
CMOS反相器的瞬态特性(续1)
• 反相器又称非门
11
TTL基本门逻辑扩展
• 缓冲器/与门/或非门/或门/异或门/异或非门/与或非门/或 与非门
• OC门 • 三态门 • 施密特逻辑门 • 触发器
12
CMOS数字集成电路
• CMOS反相器 • CMOS传输门 • CMOS存储器
13
CMOS反相器
• NMOS和PMOS的衬底分开 • NMOS的衬底接最低电位——地 • PMOS的衬底接最高电位——
整个工作区分 为五个区域 ABCDE
16
CMOS反相器转移特性(1)
CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流
A
V dd V O
B
D
E
I dsn
C
0
V tn
V dd 2
Vdd Vtp V d d
Vi
17
CMOS反相器的转移特性(2)
• A区：0 Vi Vtn NMOS截止，Idsn = 0，PMOS导通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0
➢ TTL与非门 ➢ TTL反相器
•ECL(emitter coupled logic) •I2L(integrated injection logic)
4
TTL基本单元电路与非门
(a)单管与非门
(b)两管与非门
5
TTL与非门工作原理
• 当输入端都为高电平时，T1工作在反向 有源状态，T2工作在饱和状态，电路导 通，输出低电平VOL：
• 瞬态特性：输入电压在高低电平之间转换时输 出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速 度
• 电路功耗：静态功耗和动态功耗
7
TTL基本单元电路与非门改进电路
四管与非门及逻辑符号
三管与非门
8
TTL基本单元电路与非门
五管与非门及多射极晶体管等效电路
9
TTL基本单元电路与非门
10
TTL基本单元电路反相器
• Vin为高电平VOH（VOH>VDD+Vtp） 时， NMOS导通，PMOS截止 Vo = VOL
15
CMOS反相器工作原理
NMOS：
Vi Vi
< >
Vtn Vtn
截止 导通
PMOS：VVii
> <
Vdd Vdd
-
|Vtp| |Vtp|
截止 导通
• PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一 样，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上