VLSI電路與系統(tǒng)CHAP3P1

1、CHAPTURE THREE基本CMOS數(shù)字電路 PART ONE引 言 數(shù)字電路的工作特點是:電路輸出的二進(jìn)制信號與輸入二進(jìn)制信號有一定的邏輯關(guān)系，這個邏輯關(guān)系就稱為電路的邏輯函數(shù)。數(shù)字信號是二值信號 在正常的電壓工作范圍內(nèi)，數(shù)字信號電壓的幅度是被量化了的：某一電壓范圍代表二進(jìn)制狀態(tài)中的一個狀態(tài)，另一電壓范圍則代表了另一個狀態(tài)。 這兩個范圍之間是不確定范圍，不確定范圍應(yīng)盡可能小，這就使電路完全工作在非線性狀態(tài) 。 幅度量化和直流電壓傳輸特性(a)電壓量化范圍 (b)電壓幅度范圍 (c) 直流電壓傳輸特性曲線直流電壓傳輸特性曲線數(shù)字電路中二進(jìn)制信號的電壓幅度的大致范圍如圖所示 圖中的VIH是輸

2、入最低高電平。只要輸入VinVIH，就認(rèn)為輸入邏輯1。 圖中VIL是輸入最大低電平。只要輸入VinVIL，就認(rèn)為輸入邏輯0。 VIL和VIH之間這段范圍就是不確定區(qū)，也就是電路無法判別在此區(qū)域內(nèi)的輸入量是何種邏輯狀態(tài) 通常定義電壓傳輸曲線中斜率絕對值為1的輔入電壓分別為VILmax和VIHmin。 分別稱為最大輸入低電平和最小輸入高電平。 VOHmin和VOLmax分別稱為最小輸出高電平和最大輸出低電平。 在數(shù)字電路級聯(lián)工作時，為了保證正確的邏輯關(guān)系，它們應(yīng)滿足： VOHminVIHmin VOLmaxVILmax 在倒相輸出的直流電壓傳輸特性圖中作直線 Vout=Vin， 該直線與特性曲線相

3、交，交點對應(yīng)電壓成為邏輯門閾值電壓VTH。 噪聲容限定義 激勵門的最大輸出低電平與被激勵門能夠識別的最大輸入低電平之差定義為低電平噪聲余度 NML； 激勵門的最小輸出高電平與被激勵門能夠識別的最小輸入高電平之差則定義為高電平噪聲余度NMH 低電平噪聲容限 NML= VILmax-VOLmax 高電平噪聲容限 NMH= VOHmin-VIHmin 邏輯門的噪聲容限NM由下式表達(dá)： NM=minNMH ， NML 一個電路的輸出必須能驅(qū)動一個以上的同類電路，這稱為“扇出能力”。 一個邏輯電路能夠接受的激勵源數(shù)則稱為該電路的“扇入數(shù)”。 數(shù)字電路的瞬態(tài)特性 數(shù)字電路的瞬態(tài)特性是研究數(shù)字電路輸入電壓隨

4、時間變化時其輸出電壓的變化規(guī)律。 通常令輸入電壓Vin(t)是一個幅度為VOH的理想方波； 輸出電壓的高、低電平分別是VOH和VOL。 實際上，由于晶體管內(nèi)部物理效應(yīng)和電路輸出端等效電容的作用，倒相輸出電壓波形如圖3-3(b)所示。 圖中定義了描繪瞬態(tài)特性的四個時間參量，它們是tf、tr、tpf和tpr。 圖3-3 倒相輸出的瞬態(tài)特性曲線 下降時間tf是輸出電平從滿幅的90%降到l0%的時間，相對應(yīng)的電壓為V1和V0： V0VOL-0.1(VOH-VOL) V1VOL+0.9(VOH-VOL) 上升時間tr是輸出電壓從V0上升到V1的時間。 為了簡便，有時也可以用VOH和VOL代替V1和V0。

5、 下降延遲時間tpf是輸入階躍處t1到輸出電壓降至50%，即降至電壓 V1/2=(VOL+VOH)/2 所需要的時間 上升延遲時間tpr則是從輸入階躍t2 處到輸出電壓升至V1/2的時間。 數(shù)字電路的基本單元是邏輯門電路。 代表兩個理想二進(jìn)制狀態(tài)的高、低電平分別是電源電壓VDD和零。 理想邏輯門的輸入阻抗應(yīng)當(dāng)非常高，因而對輸出驅(qū)動信號的激勵源說來，幾乎無直流負(fù)載效應(yīng)。 理想邏輯門的輸出阻抗應(yīng)很低，即可以輸出較大的電流而不影響輸出電平 對理想邏輯門而言，邏輯狀態(tài)的改變應(yīng)不花費時間，亦即邏輯電平的變化應(yīng)是階躍的。 實際的邏輯門電路與理想的邏輯門電路有較大的差異。 3.2 CMOS倒相器 理想倒相器

6、符號及真值表 理想倒相器的直流傳輸特性 倒相器的直流傳輸特性說明了輸出電壓與輸入電壓的靜態(tài)關(guān)系 輸入電壓為零時，輸出電壓為VDD，輸入電壓增大，達(dá)到某一電壓VTH時輸出電壓從VDD轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，即輸出從邏輯?”轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛?” 由于器件的非理想特性，實際倒相器的直流傳輸特性和瞬態(tài)特性取決于驅(qū)動管與負(fù)載器件的特性 瞬態(tài)特性還和電路中的輸出等效電容COUT有關(guān)。 CMOS倒相器電路結(jié)構(gòu)圖3.2.1直流傳輸特性分析 在CMOS倒相器中，輸人電壓Vin同時接到兩個晶體管的柵極，輸出端接至兩個晶體管的漏極，因此已不存在所謂負(fù)載管和驅(qū)動管的概念，而是以互補的方式工作。 PMOS管和NMOS管在不同工作區(qū)域內(nèi)

7、的電壓關(guān)系列在表3-1中。表中VTN表示NMOS管的閾值電壓，VTP是PMOS管的閾值電壓。注意，VTP00Vin-VDD-VTP0 V VGSPGSP-V-VTPTPVVDSPDSP00Vin-VDD-VTPVDSP0 VDSPVGSP-VTP0VDSPVin-VDD-VTP0 NMOS管 V VGSNGSN-V-VTNTN00Vin-VTNVDSN0Vin-VTNVDSN0 VDSNVGSN-VTN0VDSNVin-VTN0 表3-1 CMOS倒相器各工作區(qū)電壓關(guān)系 CMOS倒相器的直流傳輸特性 圖3-11 CMOS倒相器的工作狀態(tài)可以分為五個區(qū)域來討論，它們的電壓關(guān)系由表3-1決定。相應(yīng)

8、于這五個工作區(qū)的傳輸特性如圖3-11中A、B、C、D、E所示。 由CMOS倒相器電路結(jié)構(gòu)圖可知： Vin =VGSN , Vout=VDSN VGSP=Vin-VDD , VDSP = Vout-VDD CMOS倒相器直流特性分析 A區(qū) 在VinVTN時，NMOS管截止，IDSN為零。這時VGSPVTP， 所以PMOS管導(dǎo)通,但 IDSP= -IDSN=0，因此倒相器輸出電壓： Vout=VOH=VDD 十分明顯： VGDP=Vin-VDDVTP 所以： VinVTP+VDD 可見在此工作范圍內(nèi)，NMOS管截止， PMOS管處于非飽和區(qū)。 B區(qū)區(qū) 即即VinVTN時在此階段內(nèi)，由于時在此階段內(nèi)

9、，由于NMOS管剛導(dǎo)管剛導(dǎo)通，輸出電壓也沒有發(fā)生顯著變化，所以通，輸出電壓也沒有發(fā)生顯著變化，所以PMOS管管仍維持在非飽和狀態(tài)；但是仍維持在非飽和狀態(tài)；但是NMOS管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，NMOS管工作在飽和區(qū)，有：管工作在飽和區(qū)，有： 2|222inDDOUTDDTPinDDPTNinNVVVVVVVVV 由上式可求得輸出電壓是：由上式可求得輸出電壓是： 2/ 1222TNinPNDDTPDDinTPinTPinoutVVVVVVVVVVV 由：由： VGSN - VTN =Vin- VTN VDSN= Vout 可推出：可推出： VinVDSN+VTN= Vout +VTN 且：且： Vin-V

10、DD-VTP Vout-VDD 0 即在以上的條件下，前面推出的方程將成立。即在以上的條件下，前面推出的方程將成立。 C區(qū) 當(dāng)Vin=VOUT 時，使得本區(qū)域內(nèi)NMOS管和PMOS管均處于飽和區(qū)工作狀態(tài)由晶體管電流方程有： 22|22TPinDDPTPinNVVVVV 它對應(yīng)著陡峭下降的特性，對應(yīng)此時的輸入電壓是： PNDDTPPNTNTHinVVVVV/1|/通常將這個電壓值作為倒相器的閾值電壓。若取N=p，VTN=|VTP|.則上式變?yōu)椋?Vin=VTH=VDD/2 D區(qū) 即當(dāng)VinVDD-|VTP|時。 這時NMOS管進(jìn)入非飽和區(qū)，而PM0S管仍維持在飽和區(qū)。由晶體管電流方程有： 22|

11、22TPinDDPoutoutTNinNVVVVVVV由此求得輸出電壓是： 2/122|TPDDinNPTTNinTNinoutVVVVVVVV E區(qū) 即當(dāng)VinVDD-|VTP|時。這時PMOS管截止，IDSP=0，但NMOS管仍處于非飽和狀態(tài)。因此，輸出電壓： Vout=VOL=0 為了保證倒相輸出數(shù)字電路可靠地工作，為了保證倒相輸出數(shù)字電路可靠地工作，應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：IHinILinDDoutVVVVVV 0 式中，式中，VIL稱為最大輸入低電平；稱為最大輸入低電平；VIH稱為最小輸入高稱為最小輸入高電平電平為了保持為了保持Vout處于可靠的邏輯處于可靠的邏輯“1”狀態(tài)時的輸入電狀態(tài)時的

12、輸入電壓不得超過壓不得超過VIL 。同樣為了保證。同樣為了保證Vout處于可靠的邏輯處于可靠的邏輯“0”狀態(tài)時，輸入電壓不得小于狀態(tài)時，輸入電壓不得小于VIH。 參數(shù)參數(shù)VIL和和VIH的求取的求取通常將通常將VIL和和VIH定義在倒相器直定義在倒相器直流傳輸特性曲線斜率等于流傳輸特性曲線斜率等于-1處所處所對應(yīng)的輸入電壓，如下圖所示對應(yīng)的輸入電壓，如下圖所示 根據(jù)前面的分析， VIL和和VIH應(yīng)出現(xiàn)在直流電壓傳輸特性曲線的B、D兩端。由B段輸出電壓公式： 2 / 1222TNinPNDDTPDDinTPinTPinoutVVVVVVVVVVV 設(shè)X=N/P，在式中將Vout對Vin求導(dǎo)令導(dǎo)數(shù)值為-1可得到 ： VIL23-2X-X2+VIL(6+2X)(|VTP|-VDD+XVTN) +3VTP2+3VDD2+VTN2(-4X-X2)+6VTPVDD +2XVTNVTP+2XVTNVDD0 若令X1，可求得： 85|33TNTPDDILVVVV用相同的方法，由用相同的方法，由D