Chapter 5:CMOS 反相器 Inverter

CMOS 反相器的静态特性(开关阈值、噪声容限)与动态特性(寄生电容、延迟)。

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CMOS 反相器概述

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  1. 全摆幅输出 (Full rail-to-rail swing) ⇒\Rightarrow 高噪声容限 (High noise margins)
    • 输出电压可以完全达到电源电压 VDDV_{DD} 或地 GNDGND。
    • 逻辑电平不取决于器件的相对尺寸(宽长比),因此晶体管可以做成最小尺寸,这被称为无比例电平特性 (Ratioless)。这意味着电路非常健壮。
  2. 稳态下总是有通往 VDDV_{DD} 或 GNDGND 的路径 ⇒\Rightarrow 低输出阻抗 (Low output impedance)
    1. 输出电阻通常在 kΩk\Omega量级。
    2. 低阻抗意味着较强的驱动能力,从而实现大扇出 (Large fan-out),即一个门可以驱动多个后续逻辑门(尽管驱动的负载越多,性能/速度会下降)。
  3. 极高的输入电阻 (Extremely high input resistance)
    1. MOS 晶体管的栅极(Gate)是近乎完美的绝缘体。
    2. 导致稳态输入电流几乎为零。输入端几乎不消耗电流,只在切换瞬间为寄生电容充电。
  4. 电源与地之间不存在直接的稳态通路 ⇒\Rightarrow 无静态功耗 (No static power dissipation)
    1. (此处忽略了漏电流 Leakage current 的影响)。
    2. 当电路处于稳定的“0”或“1”状态时,不消耗电能。功耗主要发生在开关切换的瞬态过程中(动态功耗)。
  5. 传输延迟 (Propagation delay) 是负载电容和晶体管电阻的函数
    1. 电路的开关速度(延迟)取决于对下一级负载电容进行充放电的速度,公式上通常关联于 RCRC 时间常数。

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当 VinV_{in}低时,NMOS 截止、PMOS 导通,输出接近 VDDV_{DD};当VinV_{in} 高时,PMOS 截止、NMOS 导通,输出接近 0;在中间翻转区,两管同时导通,输出会从高电平迅速跌到低电平。图中的 off 表示截止区,sat 表示饱和区,res 表示 resistive region,即线性区或三极管区,此时 MOS 管表现得像一个受控电阻因此也有了右侧图片的等效;绿色虚线 Vout=VinV_{out}=V_{in} 与 VTC 的交点附近对应反相器的翻转电压。

PMOS和NMOS的宽长比设置

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  1. 为什么PMOS wider than NMOS?

因为 PMOS 的空穴迁移率比 NMOS 的电子迁移率低,所以在相同工艺、相同沟道长度 (L)、相同栅压条件下NMOS 更容易导通,NMOS 驱动电流通常更大,PMOS 上拉能力通常更弱

MOS 管的驱动能力大致与β=μCoxWL\beta = \mu C_{ox}\frac{W}{L}成正比。由于 PMOS 的 μp<μn\mu_p < \mu_n,如果想让 PMOS 和 NMOS 的驱动能力接近,就要通过增大 PMOS 的 宽度 WpW_p来补偿迁移率劣势。

  1. 如何maximize the noise margins

核心思路是让反相器的 翻转点 VMV_M 尽量靠近电源中点:VM≈VDD2V_M \approx \frac{V_{DD}}{2}

而要做到这一点,就要让 上拉网络和下拉网络的驱动能力接近,也就是让:βn≈βp\beta_n \approx \beta_p

  1. 如何 obtain symmetrical characteristics

这里的 “symmetrical characteristics” 主要指:

  • VTC 左右更对称
  • 上升时间和下降时间更接近
  • 输出高到低、低到高的切换能力更均衡
  • 翻转点靠近 VDD/2V_{DD}/2

CMOS反相器的静态特性

开关阈值

这个的计算就是让Vin = Vout 然后PMOS和NMOS流过的电流相同,经过连立解方程可得:

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VM=(VTn+VDSATn2)+r(VDD+VTp+VDSATp2)1+rV_{M}=\frac{\left(V_{T n}+\frac{V_{D S A T n}}{2}\right)+r\left(V_{D D}+V_{T p}+\frac{V_{D S A T p}}{2}\right)}{1+r}

其中r=kpVDSATpknVDSATn=vsatp Wpvsatn Wnr=\frac{k_{p} V_{D S A T p}}{k_{n} V_{D S A T n}}=\frac{v_{\text {satp }} W_{p}}{v_{\text {satn }} W_{n}}

如果Vdd比较大,那么就可以简化上面式子为:

VM≈rVDD1+rV_{M} \approx \frac{r V_{D D}}{1+r}

对上式进行反推,也可以得到宽长比与VMV_M之间的函数:

(W/L)p(W/L)n=kn′VDSATn(VM−VTn−VDSATn/2)kp′VDSATp(VDD−VM+VTp+VDSATp/2)\frac{(W/L)p}{(W/L)n} = \frac{k_n' V_{DSATn}(V_M - V{Tn} - V_{DSATn}/2)}{k_p' V_{DSATp}(V_{DD} - V_M + V_{Tp} + V_{DSATp}/2)}

举例:

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我们把Vm 和 宽长比的关系绘制成曲线,可以得到

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有三点需要注意:

  1. 实际上Vm对于这个P N管子宽长比的比值没那么敏感
  2. 增大P管宽度,Vm向Vdd这侧移动(也就是增大)
  3. 增大n管宽度,Vm向GND这侧移动

噪声容限的计算

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采用简化模型,假设是从VILV_{IL}到VIHV_{IH}这部分是线性下降的,斜率就是g,这个g的公式计算后面会给出来,那么根据直线的斜率,NMH;NMLNM_H; NM_L都很容易计算

增益gain-g的计算

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增益表达式如上,具体计算方法推荐使用公式

g=−1ID(VM)knVDSATn+kpVDSATpλn−λpg = -\frac{1}{I_D(V_M)} \frac{k_n V_{DSATn} + k_p V_{DSATp}}{\lambda_n - \lambda_p}

后面那个约等于的很有可能近似太多了,和最后计算的结果相差甚远(指作业题)

稳定性分析

尺寸因素

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其实这就说明,实际器件的尺寸对于CMOS反相器的翻转电压影响是比较微小的

电源电压因素

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电压降低反而提升增益:工艺缩小迫使电源电压降低,但归一化VTC(电压传输特性曲线)表明反相器增益随之上升,电源接近阈值电压时电路仍可工作。

但是降压带来三重隐患:门延时增大;dc特性对器件参数更敏感;信号摆幅缩小,对外部噪声更脆弱。

电源极低时亚阈值电流仍能维持反相功能,但当接近100 mV时增益趋近于1,热噪声将导致电路失效。最低极限VDD大约为 VDDmin>2…4,kTqV_{DDmin} > 2\ldots4,\dfrac{kT}{q}

CMOS 反相器的动态特性

寄生电容

考虑反相器的寄生电容

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实际上,这些寄生电容都与W、L的乘积呈正比关系

反相器延时

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反相器的延时,主要由“导通晶体管的等效电阻”给“负载电容 CLC_L”充放电所需要的时间决定——就是和时间常数是成正比的。这里考虑一阶模型,那么延时自然就是0.69RC

  1. 对于从高电平反转到低电平——t_pHL
  2. 反过来就是t_pLH (Low to High)
  3. 总的“平均”延时就是两个取平均

下图是实际反相器延时的一个波形,会发现实际上还有栅漏电容耦合带来的过冲效应,这无疑会增大延时

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那么知道反相器有延时,那就要改善——先找它的影响因素,于是我们采用上图右侧的公式进行理论计算,最后得到结果如下:

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可以看到它也是Vdd的函数

那么如何减小延时呢? 使用如下三个方法

三种手段:减小 C_L、增大 W/L、提高 V_DD

  1. 减小负载电容 C_L
    • 内部扩散电容:主要来自 drain 的 pn 结,版图上把 drain 画小,可用 folded layout 共享 drain
    • 互连线电容:走线越长越宽电容越大,尽量短线,长线插 buffer
    • Fanout:带的负载越多越慢,多级驱动用 buffer chain
  2. 增大 W/L(最有效)
    • W/L ↑ → 驱动电流 ↑ → 延迟 ↓
    • Self-loading 陷阱:管子做大后自身 drain 电容也变大,当本征电容超过外部负载时,继续加大 W/L 几乎没用,延迟收敛到本征延迟 t_p0
  3. 提高 V_DD
    • 用能耗换性能
    • 三个限制:
      1. V_DD 超过一定值后,提升收益很小
      2. 动态功耗 ∝ V_DD²,代价大
      3. 可靠性硬上限(氧化层击穿、热载流子),工艺决定不能超

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延时的综合分析——实际上总的tp会存在一个最小值——

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反相器链延时

首先考虑反相器的寄生电容

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其中CintC_{int}是本征输出电容,而CextC_{ext}则是额外的负载电容,定义tp0t_{p0}为本征延时

延迟公式推导

总负载电容CL=Cint+CextC_L = C_{int} + C_{ext},其中:

  • C_ext(外部)取决于 fanout,扇出越大负载越大
  • C_int(内部)和 C_g 都正比于管子尺寸:C_int = γ·C_g

代入得:

tp=tp0(1+Cext/γCg)=tp0(1+f/γ)t_p = t_{p0}(1 + C_{ext}/\gamma C_g) = t_{p0}(1 + f/\gamma)

其中 有效扇出 f=Cext/Cgf = C_{ext} / C_g,即外部负载电容与输入栅电容的比值。

γ\gamma 是本征电容与栅电容的比例系数,工艺相关,通常接近 1。

对于反相器链级联

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例题

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Chapter 4:导线 Wire
Chapter 6:逻辑门 Logic Gate

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