集成電路版圖設計周明珠zhoum杭州電子科技大學電子信息學院CMOS反相器電路原理分析電路仿真版圖實現CMOS反相器電路結構標準的CMOS反相器電路

。注意1：NMOS和PMOS的襯底是分開的，NMOS的襯底接最低電位-地，PMOS的襯底接最高電位-Vdd。注意2：NMOS的源極接地，漏極接高電位；PMOS的源極接Vdd，漏極接低電位。注意3：輸入信號Vi對兩管來說，都是加在g和s之間，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接Vdd，所以Vi對兩管來說參考電位是不同的。在分析CMOS反相器的特性時，注意如下事實：在電路中，PMOS和NMOS地位對等，功能互補?

它們都是驅動管，都是有源開關，部分的互為負載它們都是增強型MOSFET對于NMOS有?對于PMOS有對輸入和輸出信號而言，PMOS和NMOS是并聯的CMOS物理結構的剖視圖n溝道晶體管是在p阱區中制作的P溝道晶體管是在n型襯底上制作的兩個晶體管的柵極聯在一起形成輸入端。NMOSGDBvGS+-

S當vGS＞VTN時導通當vGS＜VTN時截止PMOS-

SBvGSG+

D當∣vGS∣＞VTP時導通當∣vGS∣＜VTP時截止CMOS反相器的負載線CMOS反相器工作狀態整個工作區可以分為五個區域：A區：0≤Vi≤VTNB區：VTN≤Vi≤VDD/2C區：Vi≈VDD/2D區：VDD/2≤Vi≤VDD/2+VTPE區：VDD/2+VTP≤Vi≤VDDA區：0≤Vi≤VtnNMOS截止

Idsn=0PMOS導通

Vdsn=VddVdsp=0等效電路如右圖所示B區：Vtn≤Vi≤?VddVddNMOS導通，處于飽和區，等效于一個電流源：稱之為NMOS平方率跨導因子。PMOS等效于非線性電阻：稱之為PMOS平方率跨導因子。在Idsn的驅動下，Vdsn自Vdd下降,

|Vdsp|自0V開始上升。等效電路

。C區：Vi≈?VddNMOS導通，處于飽和區，PMOS也導通，處于飽和區，均等效于一個電流源，等效電路如右圖所示。此時有，轉移特性（續）兩個電流必須相等，即Idsn=Isdp，所以如果βn=βp，且有Vtn=-Vtp，則有Vi=Vdd/2但是，μn≈(2-3)μp，所以應有Wp/Lp≈2.5Wn/Ln由βn=βp，Vtn=-Vtp和Vi=Vdd/2，應有VO=Vdd/2轉移特性（續）β比(βn/βp)對轉移特性的影響，如下圖所示。D區：VDD/2≤Vi≤VDD/2+Vtp與B區情況相反：

PMOS導通，處于飽和區，等效一個電流源：NMOS強導通，等效于非線性電阻E區：Vi≥Vdd+VtpPMOS截止，NMOS導通。Vdsn=

0|Vdsp|

=VddIdsp=

0等效電路。CMOS反相器轉移特性轉移特性（續）PMOS和NMOS在5個區域中的定性導電特性。?轉移特性（續）對于數字信號，CMOS反相器靜態時，或工作在A區，或工作在E區。此時有：從一種狀態轉換到另一種狀態時，有：CMOS反相器功耗無論CMOS門處于這兩種邏輯形態中的哪一種狀態，兩個MOS管中始終有一個管子是截止的。由于沒有從VDD到VSS的直流通路，也沒有電流流入柵極，所以，靜態（穩態）電流和靜態功耗PD都是0。CMOS反相器穩態支路電流A區：VTN管截止，電阻非常大，所以流過VTN和VTP管的漏極電流幾乎為0。E區：VTP管截止，電阻非常大，所以流過VTN和VTP管的漏極電流也幾乎為0。BCD區：VTN管導通，VTP管導通，所以流過VTN和VTP管的漏極電流不為0。轉移特性（續）對于模擬信號，CMOS反相器必須工作在B

區和D區之間，反相器支路始終有電流流通，所以Is-s>0，Pdc>0。CMOS反相器的瞬態特性研究瞬態特性與研究靜態特性不同的地方在于必須考慮負載電容（下一級門的輸入電容）的影響。脈沖電

升，下降和延遲時間的定義，既

。tr：(Vo=10%Vomax→Vo=90%Vomax)tf：(Vo=90%Vomax→Vo=10%Vomax)td

：(Vi=50%Vimax→Vo=50%Vomax)i)Vi從1到0,CL充電。在此過程中，NMOS和PMOS源、漏極間電壓的變化過程為：Vdsn：0→Vdd |Vdsp|：Vdd→0

，即1→2→3→原點瞬態特性（續）考慮到上拉管導通時先為飽和狀態而后為非飽和狀態，故輸出脈沖上升時間可分為兩段來計算瞬態特性（續）瞬態特性（續）飽和狀態時假定VC(0?)=0,

恒流充電時間段有積分得瞬態特性（續）非飽和狀態時線性充電時間段有，積分得，經變量代換，部分分式展開，可得，總的充電時間為，tr=tr1+tr2如果Vtp=-0.2Vdd，則瞬態特性（續）ii)Vi從0到1,CL放電NMOS的導通電流開始為飽和狀態而后轉為非飽和狀態，故與上面類似，輸出脈沖的下降時間也可分為兩段來計算。。瞬態特性（續）飽和狀態假定VC(0?)=Vdd，恒流放電時間段有，積分得，瞬態特性（續）非飽和狀態線性放電時間段有，瞬態特性（續）總的放電時間為tf=

tf1

+

tf2如果Vtn=

0.2Vdd，則如果Vtn=

|Vtp|，βn=βp，則tr=tfCMOS的輸出波形將是對稱的。CMOS反相器版圖實現下圖包括：–（a）垂直