天津大學(xué)數(shù)字集成電路第四講反相器動態(tài)特性和設(shè)計(jì)

1、TJIC1第四講第四講 反相器動態(tài)特性和設(shè)計(jì)反相器動態(tài)特性和設(shè)計(jì)天津大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系天津大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系 VLSIVLSI課件課件史再峰史再峰2/CMOS反相器反相器VDDVoutCLVin3/CMOS Inverter的動態(tài)開關(guān)模型的動態(tài)開關(guān)模型VDDRnVoutCLVin = V DDVDDRpVoutCLVin = 04/反相器的寄生電容反相器的寄生電容5/瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)模擬時(shí)的輸出過沖，是因?yàn)榉聪嗥鞯臇怕╇娙菰斐傻?/反相器的設(shè)計(jì)技術(shù)反相器的設(shè)計(jì)技術(shù)v 減小CL 負(fù)載電容由三部分組成，優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)減小漏擴(kuò)散區(qū)的面積 門本身的內(nèi)部擴(kuò)散電容，互連線電容，扇出電容v 增大晶體管的

2、寬長比W/L：容易引起擴(kuò)散電容增加（自載效應(yīng)）v 提高VDD，犧牲能量的損耗來換取性能的提高7/反相器傳播延時(shí)與電源電壓的關(guān)系反相器傳播延時(shí)與電源電壓的關(guān)系提高電源電壓可以降低延時(shí)，即可用功耗換取性能。但超過一定程度后改善有限。電壓過高會引起可靠性問題（氧化層擊穿、熱電子等）8/反相器延時(shí)的推導(dǎo)反相器延時(shí)的推導(dǎo)v 一個(gè)反相器的延時(shí)可表示為 Tp=0.69Req(Cint+Cext)=0.69ReqCint(1+Cext/Cint)Cint 為本征電容（漏端擴(kuò)散電容）tp00.69ReqCint 為本征延時(shí)，或“無負(fù)載延時(shí)”v 假設(shè)這個(gè)反相器晶體管尺寸（寬度）為參照反相器晶體管晶體管尺寸的S S

3、 倍，則該反相器與參照反相器本征電容和晶體管等效電阻間的關(guān)系為：Cint=Sciref Req=Rref/S9/器件尺寸的影響器件尺寸的影響1)反相器的本征延時(shí)tp0 與門的尺寸加大無關(guān)，而僅與工藝及版圖有關(guān)。尺寸加大時(shí)，晶體管等效電阻減小但本征電容加大2)無負(fù)載時(shí)，增加門的尺寸不能減少延時(shí)。3)有負(fù)載時(shí)，S S 很大時(shí)使反相器延時(shí)趨于本征延時(shí)，因此繼續(xù)加大尺寸延時(shí)將不會有什么改善而只會顯著增加面積。10/NMOS和PMOS尺寸比對延時(shí)的影響尺寸比對延時(shí)的影響v 對稱設(shè)計(jì)的反相器并不一定得到最小的延時(shí)tp0tp0當(dāng)對稱性和噪聲容限v 不是主要考慮時(shí)，可以通過減小PMOS PMOS 尺寸來減小延

4、時(shí)=1.6延時(shí)最小=2.4對稱瞬態(tài)響應(yīng)11/反相器鏈尺寸的確定反相器鏈尺寸的確定v 如C CL L 固定: : 需要多少反相器級能使延時(shí)最小? ? 如何確定每級反相器的尺寸? ?Cg1CL12/不考慮擴(kuò)散電容時(shí)不考慮擴(kuò)散電容時(shí)13/考慮擴(kuò)散區(qū)電容時(shí)反相器鏈的總延時(shí)考慮擴(kuò)散區(qū)電容時(shí)反相器鏈的總延時(shí)v 反相器鏈最小延時(shí)v 每級尺寸是它相鄰兩個(gè)反相器尺寸的幾何平均數(shù)v 每級具有相同的等效扇出( (CoutCout/ /CinCin) )，尺寸，尺寸放大相同的倍數(shù)放大相同的倍數(shù)v 每級具有相同的延時(shí)14/級數(shù)N N 固定時(shí)反相器鏈的最小延時(shí)v 例如：級數(shù)N = 3 N = 3 時(shí)的最優(yōu)尺寸比vCL/C1 8 N = 3 f=(8)1/3 = 215/最優(yōu)級比（等效扇出）與最優(yōu)級數(shù)最優(yōu)級比（等效扇出）與最優(yōu)級數(shù)16/最優(yōu)級比時(shí)反相器鏈的延時(shí)最優(yōu)級比時(shí)反相器鏈的延時(shí)17/緩沖器設(shè)計(jì)緩沖器設(shè)計(jì)N Nf ftptp164652818341542.815.318/引入緩沖級的影響引入緩沖級的影響F無緩沖器無緩沖器兩級反相器兩級反相器反相器鏈反相器鏈備注備注10118.38.3結(jié)果數(shù)字表示topt/tp0100101221