中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第7章CMOS逻辑门电子学分桥 本章目录 7.1CMOS反相器的直流特性 7.2反相器的开关特性 7.3功耗 7.4DC特性：与非门和或非门 7.5与非门和或非门的暂态响应 7.6复合逻辑门的分析 7.7逻辑门过渡特性设计 7.8传输门和传输管 7.9关于SPICE模拟 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 §7.1CMOS反相器的直流特性 1逻辑摆幅V, VSGp=VDD VDD VpD On Vin =0 off Vout =VDD On Vin =VDD Vout=0 (a)Low input voltage (b)High input voltage Figure 7.2 VoH and VoL for the inverter circuit 输出高电压：VoH,max=Vop输出低电压：'oL,min=0V 逻辑摆幅：'=VoH,max一VoL,min=Vop 逻辑摆幅等于全部电源电压值，称为全轨输出。 全轨输出：full-rail output或rail to rail output 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 2
2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 1 第 7 章 CMOS逻辑门电子学分析 逻辑门电子学分析 本章目录 7.1 CMOS反相器的直流特性 7.2 反相器的开关特性 7.3 功耗 7.4 DC特性：与非门和或非门 7.5 与非门和或非门的暂态响应 7.6 复合逻辑门的分析 7.7 逻辑门过渡特性设计 7.8 传输门和传输管 7.9 关于SPICE模拟 2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 2 §7.1 CMOS反相器的直流特性 1 逻辑摆幅VL 输出高电压：VOH,max=VDD 输出低电压：VOL,min=0V 逻辑摆幅：VL=VOH,max－VOL,min=VDD 逻辑摆幅等于全部电源电压值，称为全轨输出。 全轨输出：full-rail output 或 rail to rail output
§7.1CMOS反相器的直流特性 2电压传输特性曲线(VTC) Vout Mp on Mn off VDD VOH=V DD 日 VsGp + Vout=V in Mp VM +● ●十 Mn on Mp off Mn Vout VGSn VoH=0寸 Vin '00o 1"VDD L VIH Figure 7.3 Voltage transfer curve for the NOT gate 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 §7.1CMOS反相器的直流特性 2电压传输特性曲线(VTC) 可分为5个区域 A区，0≤Vm<'n: Vout Mp on NMOS截止，PMOS导通； Mn off VOH=V DD B区，Vn<Vn<'om-Vp: Vout=V in NMOS饱和，PMOS非饱和； VM C区，Voa-|n<Vn<'ou+Vn: Mn on NMOS饱和，PMOS饱和； 6 Mp off VOH=0 Vin D区，Vom+'n<Vn<'p-|'nf 'oL-00"o 1"VDD NMOS非饱和，PMOS饱和； VLL VIH E区，Voo-Vp<Vn≤Vo NMOS导通，PMOS截止。 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析
2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 3 §7.1 CMOS反相器的直流特性 2 电压传输特性曲线（VTC） VOL=0 2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 4 §7.1 CMOS反相器的直流特性 2 电压传输特性曲线（VTC）——可分为5个区域 VOL=0 导通， 截止。 区， ： 非饱和， 饱和； 区， ： 饱和， 饱和； 区， ： 饱和， 非饱和； 区， ： 截止， 导通； 区， ： NMOS PMOS NMOS PMOS NMOS PMOS NMOS PMOS NMOS PMOS 0 DD Tp in DD out Tn in DD Tp out Tp in out Tn Tn in out Tp in Tn E V V V V D V V V V V C V V V V V B V V V V A V V − < ≤ + < < − − < < + < < − ≤ <
§7.1CMOS反相器的直流特性 2电压传输特性曲线(VTC) Vout （1)输入低电压和输入高电压 Mp on Mn off VOH=V DD 、a Vow=f(Vun) Vout=V in dy o=-1 VM d Mn on 逻辑0的输入电压范围： 6 Mp off VOH=0 Vin 0≤'m≤'Vu VoL=0 0"o" 1"VPD 逻辑1的输入电压范围： VLL VIH VH≤'m≤'oD 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 §7.1CMOS反相器的直流特性 2电压传输特性曲线(VTC) a点坐标： R化-广-2cao--中kwm-)-e月 0+会--是。 dy dVin B。 b点坐标： B2g-L-E1,e。-r 能-1儿0+是=2+层w-.小 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 6
2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 5 §7.1 CMOS反相器的直流特性 2 电压传输特性曲线（VTC） VOL=0 （1）输入低电压和输入高电压 ( ) out Vin V = f 1 d d = − in out V V 令 逻辑0的输入电压范围： 0 ≤Vin ≤VIL 逻辑1的输入电压范围： VIH ≤Vin ≤VDD 2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 6 §7.1 CMOS反相器的直流特性 2 电压传输特性曲线（VTC） a点坐标： b点坐标： [2( )( ) ( ) ] 2 1 ( ) 2 1 2 2 β n Vin −VTn = β p VDD −Vin − VTp VDD −Vout − VDD −Vout Tn p n out DD Tp p n in in out V V V V V V V β β β β = −1⇒ (1+ ) = 2 − − + d d 2 2 ( ) 2 1 [2( ) ] 2 1 β n Vin −VTn Vout −Vout = β p VDD −Vin − VTp 1 (1 ) 2 ( ) d d DD Tp n p out Tn n p in in out V V V V V V V = − ⇒ + = + + − β β β β
§7.1CMOS反相器的直流特性 2电压传输特性曲线(VTC) (2)噪声容限 Vout Mp on Mn off 高电平噪声容限： VOH=V DD 、a Vout=V in VNMH=VOH.min-VIH.min -- 低电平噪声容限： VM Mn on VNML=VIL.ma -VoL.ma 6 Mp off VOH=0 Vin (3) 中点电压VM 'o=00o 1"VDD 定义：VTC曲线与直线 VLL VIH Vou'n的交点 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 §7.1CMOS反相器的直流特性 中点电压VM的计算： :Ipn=Ipp A-广=ww--小 VDD Vop-IVml+ :.VM= 1+ VM VB。 Figure 7.4 Inverter voltages for Vy calculation 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 8
2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 7 §7.1 CMOS反相器的直流特性 2 电压传输特性曲线（VTC） VOL=0 （2）噪声容限 高电平噪声容限： VNMH =VOH ,min −VIH ,min 低电平噪声容限： VNML =VIL,max −VOL,max （3）中点电压VM 定义：VTC曲线与直线 Vout=Vin的交点 2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 8 §7.1 CMOS反相器的直流特性 Dn Dp QI = I 2 2 ( ) 2 1 ( ) 2 1 ∴ β n VM −VTn = β p VDD −VM − VTp p n Tn p n DD Tp M β β V β β V |V | V + − + ∴ = 1 中点电压VM 的计算：
§7.1CMOS反相器的直流特性 对称反相器：VM=一Voo VpD-IVidl+ B. Tn V= 2 1+ 若Vm=V则Bn=B。 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 §7.1CMOS反相器的直流特性 例7.1一个CMOS工艺具有下列参数：电源电压Voo=3.0V kn=140AN2,'m=0.70V,k2=60A/V2,'p=-0.70V ①对称设计Bn=Pp VDD -IVTpl+ Tn VM= 3-0.7+1x0.7=l.5V 1+V1 1+ B. Bp 是-2 2018-9-5 第7章CMOS逻辑门电子学分析 10
2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 9 §7.1 CMOS反相器的直流特性 对称反相器： VM VDD 2 1 = DD p n Tn p n DD Tp M V β β V β β V |V | V 2 1 1 = + − + Q = 2 2 1 2 1 ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − ∴ = DD Tn DD Tp p n V V V V β β 若VTn = VTp，则β n = β p 2018-9-5 第7章 CMOS逻辑门电子学分析 10 例7.1 一个CMOS工艺具有下列参数： 140 A/V , 0.70V, 60 A/V , 0.70V 2 2 = = = Tp = − ' Tn p ' kn μ V k μ V 电源电压 VDD = 3.0V ①对称设计 n p β = β 1.5V 1 1 3 0.7 1 0.7 1 = + − + × = + − + = p n Tn p n DD Tp M β β V β β V |V | V 1 ' ' = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = p p n n p n L W k L W k β β Q p n n n n p L W L W L W k k L W ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ = ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∴ 2.33 60 140 ' ' §7.1 CMOS反相器的直流特性