北京大学：《集成电路原理与设计 Principle of Integrated Circuits》课程电子教案（数字集成电路原理与设计）chap4-1 第四章 CMOS单元电路 4.3 反相器的设计

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 第四章CMOS单元电路 4.3反相器的设计

1 第四章 CMOS单元电路 4.3 反相器的设计 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation cMos反相器 4.1cMos反相器的直流特性 4.2cMos反相器的瞬态特性 43CMos反相器的设计

2 CMOS反相器  4.1 CMOS反相器的直流特性  4.2 CMOS反相器的瞬态特性  4.3 CMOS反相器的设计 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software 反相器的逻辑符号 CMOS反相器 ou t L out 反相器的设计变量包括NMos GND 和PMoS的宽度和长度 ■实际的设计变量就是NMos和 PMos的宽度(Wp和Wn)

3 CMOS反相器 VDD Vin Vou t t 反相器的设计变量包括NMOS 和PMOS的宽度和长度 实际的设计变量就是NMOS和 PMOS的宽度（Wp和Wn） V V in out 反相器的逻辑符号 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation CMOS反相器的设计 完成能够实现设计要求的集成电路产品 设计要求 功能 ■可靠性 速度 面积 n功耗

4 CMOS 反相器的设计  完成能够实现设计要求的集成电路产品  设计要求：  功能  可靠性  速度  面积  功耗 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 1、反相器的可靠性 噪声容限:逻辑阈值点 ①把v做为允许的输入高电平和 低电平极限 NHM NLM Ve NHM"ˇDDit ③VM与Vwm中较小的 Vin/au 决定最大直流噪声容限 Vit= IN +i K(vDp+Yrl= VA, IN +vpp+kIp 1+、1K

5 噪声容限：逻辑阈值点  把Vit做为允许的输入高电平和 低电平极限  VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit  VNLM与VNHM中较小的 决定最大直流噪声容限 1、反相器的可靠性   r TN r DD TP r TN DD TP it r r 1 = 1 1 1 V K V V K V V V V K K        Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software IN +√/K +√/K 1+√K 可靠性:噪声容限 面向可靠性最优的设计目标, 噪声容限最大就是使得Vit=ml Vdd/2 NLM 在反相器的设计中通过器件尺 寸的设计保持电路满足噪声容 限的要求 t DD 利用噪声容限的设计要求可以 得到Wp和Wn的一个方程

6 可靠性：噪声容限  面向可靠性最优的设计目标， 噪声容限最大就是使得Vit＝ Vdd/2  在反相器的设计中通过器件尺 寸的设计保持电路满足噪声容 限的要求  利用噪声容限的设计要求可以 得到Wp和Wn的一个方程   r TN r DD TP r TN DD TP it r r 1 = 1 1 1 V K V V K V V V V K K        Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 2、反相器的速度 tphL t tpLh 一般用反相器的平均 延迟时间表示速度 CL△FHL Tf la I-CN 也可以分别用上升和 CLAVLH 下降延迟时间表示H VLH 1-ap) 利用速度的设计要求 可以得到Wp和Wn1(=a) 的一个方程

7 2、反相器的速度     pHL pLH p L HL pHL f 2 av,HL N L LH pLH r 2 av,LH P 2 1 1 1 1 t t t C V t I C V t I                   p r 2 2 r N P 1 1 1 2 1 1 t K               一般用反相器的平均 延迟时间表示速度  也可以分别用上升和 下降延迟时间表示  利用速度的设计要求 可以得到Wp和Wn 的一个方程 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 3、反相器的面积 减小器件的宽度可以减小面积Nweu D PMOS ■例如最小面积的要求可以采用 Contacts 最小尺寸的器件尺寸 Metal 利用面积的设计要求可以得到P Wp和Wn的一个方程 NMOS GND

8 3、反相器的面积  减小器件的宽度可以减小面积  例如最小面积的要求可以采用 最小尺寸的器件尺寸  利用面积的设计要求可以得到 Wp和Wn的一个方程 Polysilicon In Out VDD GND PMOS Metal 1 NMOS Contacts N Well Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 4、反相器的功耗 PD=CL fVAD 增加器件宽长比会增加电容 电路速度增加也会提高功耗 电源电压的增加 功耗暂时不作为反相器设计的约束

9 4、反相器的功耗  增加器件宽长比会增加电容  电路速度增加也会提高功耗  电源电压的增加  功耗暂时不作为反相器设计的约束 2 P C fV D L DD  Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software N+I/K (Vm+n)√Khn+1m 1+ 1+K 反相器设计:综合 tpHL+ tpLh 2 C L△HL 利用可靠性、速度和面积约束中m(-a)y 的两个就可以得到一组Wp和WnC△h11 pLH 对称反相器:对于NMoS和 lay PMos阈值基本相等的工艺,设 计Kr=1 对称反相器具有最大的噪声容限 和相等的上升和下降延迟,在没 有具体设计要求情况下是相对优 化的设计 10

10 反相器设计：综合  利用可靠性、速度和面积约束中 的两个就可以得到一组Wp和Wn  对称反相器：对于NMOS和 PMOS阈值基本相等的工艺，设 计Kr＝1  对称反相器具有最大的噪声容限 和相等的上升和下降延迟，在没 有具体设计要求情况下是相对优 化的设计     pHL pLH p L HL pHL f 2 av,HL N L LH pLH r 2 av,LH P 2 1 1 1 1 t t t C V t I C V t I                 r TN r DD TP r TN DD TP it r r 1 = 1 1 1 V K V V K V V V V K K        Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only