第三章MOS管反相器
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MOS反相器
VDS ron = i DS
MOS反相器 反相器
2. MOS反相器 反相器
反相器是最基本的逻辑单元. 管构成反相器有四种类型: 反相器是最基本的逻辑单元.MOS管构成反相器有四种类型: 管构成反相器有四种类型 电阻负载MOS电路 ①电阻负载 电路 输入器件——增强型MOS管 ——增强型 输入器件——增强型 管 PEMOS导通电压小于零 导通电压小于零 负载—— ——电阻 负载——电阻 该电路在集成电路中很少用,在分离元件电路中常用. 该电路在集成电路中很少用,在分离元件电路中常用. PDMOS导通电压大于零 导通电压大于零 反相器: ②E/E MOS反相器:(Enhancement/Enhancement MOS) 反相器 / ) 输入器件——增强型 器件——增强型MOS管 输入器件——增强型 管 NEMOS导通电压大于零 导通电压大于零 负载——增强型MOS管 ——增强型 负载——增强型 管 反相器: ③E/D MOS反相器:(Enhancement/Depletion MOS) 反相器 /Depletion ) NDMOS导通电压小于零 导通电压小于零 输入器件——增强型 器件——增强型MOS管 输入器件——增强型 管 负载——耗尽型MOS管 ——耗尽型 负载——耗尽型 管 ④CMOS反相器(Complementary MOS) 反相器( ) 反相器 E/E MOS和E/D MOS均采用同一沟道的 均采用同一沟道的MOS管; 和 均采用同一沟道的 管 CMOS则采用不同沟道的 则采用不同沟道的MOS管构成反相器. 管构成反相器. 则采用不同沟道的 管构成反相器 输入器件——增强型 器件——增强型PMOS或增强型 或增强型NMOS 输入器件——增强型 或增强型 负载——增强型NMOS或增强型 负载——增强型 或增强型PMOS ——增强型 或增强型
《mos反相器》课件
阈值电压的数值越低，表示反相器对输入信号的灵敏度越高，即输入较小的电压变 化即可触发反相器的导通。
阈值电压的稳定性对反相器的性能影响较大，稳定性越高，反相器的性能越稳定。
驱动能力
驱动能力：指MOS反相器能够驱动的 最大负载电流。
驱动能力越强，表示反相器的负载能 力越强，能够驱动更多的电路元件。
驱动能力的大小决定了反相器在电路 中的负载能力，即能够驱动多少电流 。
金属-氧化物-半导体结构
由金属、氧化物和半导体材料组成，是MOS反相器的基本组成部 分。
半导体表面势垒
在半导体表面形成的势垒，控制着电流的流动。
电压控制特性
通过施加电压，可以控制半导体表面势垒的高低，从而控制电流的 流动。
MOS反相器的电压控制特性
正向偏置和反向偏置
线性区和饱和区
在MOS反相器中，输入和输出信号通 过电压的形式进行传输，正向偏置和 反向偏置是两种常见的电压状态。
02
它利用电压来控制半导体表面的 载流子分布，从而实现信号的放 大、开关和逻辑运算等功能。
MOS反相器的应用
在数字电路中，MOS反相器常被用 作逻辑门的基本单元，实现逻辑运算 和信号的逻辑处理。
在模拟电路中，MOS反相器可以用于 信号放大、开关和滤波等应用。
MOS反相器的基本结构
01
02
03
04
MOS反相器由输入级、中间 级和输出级三部分组成。
输入级通常是一个增强型或耗 尽型场效应管，用于接收输入 信号并控制中间级的电流。
中间级通常是一个共源放大器 ，用于放大输入信号并传递给
输出级。
输出级通常是一个推挽放大器 ，用于输出放大的信号并驱动
负载。
02
MOS反相器的工作原理
阈值电压的稳定性对反相器的性能影响较大，稳定性越高，反相器的性能越稳定。
驱动能力
驱动能力：指MOS反相器能够驱动的 最大负载电流。
驱动能力越强，表示反相器的负载能 力越强，能够驱动更多的电路元件。
驱动能力的大小决定了反相器在电路 中的负载能力，即能够驱动多少电流 。
金属-氧化物-半导体结构
由金属、氧化物和半导体材料组成，是MOS反相器的基本组成部 分。
半导体表面势垒
在半导体表面形成的势垒，控制着电流的流动。
电压控制特性
通过施加电压，可以控制半导体表面势垒的高低，从而控制电流的 流动。
MOS反相器的电压控制特性
正向偏置和反向偏置
线性区和饱和区
在MOS反相器中，输入和输出信号通 过电压的形式进行传输，正向偏置和 反向偏置是两种常见的电压状态。
02
它利用电压来控制半导体表面的 载流子分布，从而实现信号的放 大、开关和逻辑运算等功能。
MOS反相器的应用
在数字电路中，MOS反相器常被用 作逻辑门的基本单元，实现逻辑运算 和信号的逻辑处理。
在模拟电路中，MOS反相器可以用于 信号放大、开关和滤波等应用。
MOS反相器的基本结构
01
02
03
04
MOS反相器由输入级、中间 级和输出级三部分组成。
输入级通常是一个增强型或耗 尽型场效应管，用于接收输入 信号并控制中间级的电流。
中间级通常是一个共源放大器 ，用于放大输入信号并传递给
输出级。
输出级通常是一个推挽放大器 ，用于输出放大的信号并驱动
负载。
02
MOS反相器的工作原理
数字电子技术基础第三章
二、交流噪声容限
反相器对窄脉冲 的噪声容限—交 流噪声容限远高 于直流噪声容限。
交流噪声容限受 电源电压和负载 电容的影响。
图3.3.23 CMOS反相器的交流噪声容限
三、动态功耗
动态功耗：当CMOS 反相器从一种稳定工 作状态突然转变到另 一种稳定的过程中， 将产生附加的功耗。
PD=PC+PT PD为总动态功耗 PC为对负载电容充放
图3.3.xx CMOS三态门电路结构之三 可连接成总线结构。还能实现数据的双向传输。
3.3.6 CMOS电路的正确使用
一、输入电路的静电防护
1、在存储和运输CMOS器件时最好采用金属屏蔽层 作包装材料，避免产生静电。
2、组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、 工作台面等良好接地。操作人员的服装、手套等选用 无静电的原料制作。
图3.5.34 OC门输出并联的接法及逻辑图
2.1 概述
常用的门电路在逻 辑功能上有: 与门、 或门、非门、与非 门、或非门、与或 非门、异或门等几 种。
单开关电路 互补开关电路
图3.1.1 获得高、低电平的基本原理
图3.1.2 正逻辑与负逻辑
一些概念
1、片上系统（SoC） 2、双极型TTL电路 3、CMOS
1961年美国TI公司,第一片数字集成电路 （Integrated Circuits, IC）。
C=1时 Vo=RL*Vi/(RL+RTG) RTG越小越好，并且希望不 受输入电压变化。
图3.3.39 CMOS模拟开关接 负载电阻的情况
四、三态输出的CMOS门电路
高阻态。 此电路结构 总是接在集 成电路的输 出端。
图3.3.40 CMOS三态门电路结构之一
成都理工大学 数字电子基础第三章TTL和CMOS电路
电源VCC（+5V）
外形
地GND
管脚
74LS00内含4个2输入与非门， 74LS20内含2个4输入与非门。
2.或非门
有1出0，全0出1
T2与T2'形成或 逻辑关系 ABA为为 、高高B都电电为平平低时时电，，
T通 输 T通 输 平 同 截22、 ′， 出 ， 出 时 止时、T截 ，TYTY，T544为 为5同截 截止TT同42低 低时止 止、 导，时电 电导， ，T通T导25平 平′，。 。
vo
t pd 2 (t pdLH t pdHL )
原因
结电容（D和T）的存在 o
分布电容的影响
50% t
tpdHL
50% t tpdLH
§3.5.5 其他类型的TTL门电路
一. 其他逻辑功能的门电路
1. 与 非 门
Y (A B)
输入端改成多发 射极三极管
TTL集成门电路的封装：
双列直插式
如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00 )
相当于断开的开关，vO≈vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变 电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合
的开关,vO≈0。
四、MOS管的四种基本类型
D
D
G
S N沟道增强型
G
S N 沟道耗尽型
D
G S
P 沟道增强型
D
G S
P 沟道耗尽型
在数字电路中，多采用增强型。
一、TTL反相器的电路结构和工作原理
输入级 倒相级 输出级
称为推拉式 电路或图腾 柱输出电路
二、电压传输特性
1.3V 0.6V
第三讲反相器
❖ 逻辑电平与器件尺寸无关，所以晶体管可以采用最小尺寸， 属于无比例逻辑。
❖ 稳态时输出与VDD或者GND之间总存在一条有限的电阻 通路。
❖ 输入阻抗很高，理论上，单个反相器可以驱动无数个门。 ❖ 稳态时候，电源和地之间没有直接的通路，没有电流存在
（忽略漏电流），即该门电路不消耗任何静态功耗。
6/
SMIC Logic18 反相器单元INV
从讨论区获得 ▪ 基本的仿真分析DC, AC, Trans,报告中须详细说明网表\激励\分析等内容 ▪ 作业以试验报告形式上交,电子版由班长收起后发email ▪ 使用国产软件者成绩加5分
23/
反相器的寄生电容
24/
瞬态响应
模拟时的输出过冲， 是因为反相器的栅漏 电容造成的
25/
7/
8/
回顾NMOS短沟道器件的I-V特性
X 10-4
2.5 2
VGS = 2.5V
VGS = 2.0V
1.5
1
VGS = 1.5V
0.5
VGS = 1.0V
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5 VDS (V)
NMOS 晶体管, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
▪ 自由组合，每组2-3人,亦可独立完成 ▪ 各组之内合理分工，团队合作完成一份实验报告及工作报告 ▪ 实验报告要求用专门的实验报告纸书写，工作报告中注明各人的分工及
工作完成情况 ▪ 更推荐使用国产EDA软件华大九天,需要者请与老师联系 ❖ 内容：学习使用HSPICE软件进行反相器的设计和优化，设计3款以上的反相 器 ▪ 基本的网表描述语法,激励加入方法 ▪ 采用tsmc 0.25um /smic 0.18um工艺进行仿真，工艺参数邮件通知或者
❖ 稳态时输出与VDD或者GND之间总存在一条有限的电阻 通路。
❖ 输入阻抗很高，理论上，单个反相器可以驱动无数个门。 ❖ 稳态时候，电源和地之间没有直接的通路，没有电流存在
（忽略漏电流），即该门电路不消耗任何静态功耗。
6/
SMIC Logic18 反相器单元INV
从讨论区获得 ▪ 基本的仿真分析DC, AC, Trans,报告中须详细说明网表\激励\分析等内容 ▪ 作业以试验报告形式上交,电子版由班长收起后发email ▪ 使用国产软件者成绩加5分
23/
反相器的寄生电容
24/
瞬态响应
模拟时的输出过冲， 是因为反相器的栅漏 电容造成的
25/
7/
8/
回顾NMOS短沟道器件的I-V特性
X 10-4
2.5 2
VGS = 2.5V
VGS = 2.0V
1.5
1
VGS = 1.5V
0.5
VGS = 1.0V
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5 VDS (V)
NMOS 晶体管, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
▪ 自由组合，每组2-3人,亦可独立完成 ▪ 各组之内合理分工，团队合作完成一份实验报告及工作报告 ▪ 实验报告要求用专门的实验报告纸书写，工作报告中注明各人的分工及
工作完成情况 ▪ 更推荐使用国产EDA软件华大九天,需要者请与老师联系 ❖ 内容：学习使用HSPICE软件进行反相器的设计和优化，设计3款以上的反相 器 ▪ 基本的网表描述语法,激励加入方法 ▪ 采用tsmc 0.25um /smic 0.18um工艺进行仿真，工艺参数邮件通知或者
第三章-MOS管反相器
图3.5.2 两级CMOS反相器级联
（a）充电模型
（b）放电模型
图3.5.3 延迟模型
（a）充电过程
（b）放电过程
图3.5.4 主要电阻和电容来源
3.6 功耗
CMOS反相器的耗功P由两部分组成， （1）静态功耗，即反向漏电造成的功耗PD； （2）动态功耗，即反相器电平发生跳变时产生的 功耗。
3.1 引言
反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低 电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在 电路中的表示符号如图3.1.1所示。
图3.1.1 反相器符号
图3.1.2 反相器结构
3.2 NMOS管负载反相器 3.2.1 增强型NMOS管负载反相器
1、负载NMOS管工作于饱和区的反相器
1、静态功耗 图3.6.1 CMOS反相器的稳态时没有电流
图3.6.2 NMOS反相器稳态会产生电流
2、动态功耗
以CMOS反相器为例来分析动态功耗。在输入信号从 逻辑0到逻辑1的跳变或输入信号从逻辑1到逻辑0跳变的瞬间， CMOS反相器的NMOS晶体管和PMOS晶体管都处于导通状态， 这导致一个从电源VDD到地的窄电流脉冲。同时为了对负载电容 进行充电和放电，也需要有电流流动，这将引起功耗。通常，对 负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。
（a）电路
3.3.2 CMOS反相器直流特性 （b）转移特性 （c）电流的变化
图3.3.1 CMOS反相器
3.4 动态反相器 3.4.1 动态有比反相器
图3.4.1 动态反相器
3.4.2 动态无比反相器 图3.4.2 动态无比反相器
3.5 延迟
（a）反相器
（b）输入从逻辑0跳变到逻辑1 （c）输入从逻辑1跳变到逻辑 图3.5.1 反相器产生延迟
基于mos管的三值反相器
基于mos管的三值反相器三值反相器是一种逻辑电路，其输入和输出为三态信号。
基于MOS管的三值反相器可以由NMOS和PMOS管组成。
以下是构建基于MOS管的三值反相器的步骤：1.设计输入端：使用一个NMOS管和一个PMOS管组成输入端。
输入端的连接方式为：输入信号接到NMOS管的栅极，NMOS管的源极接到地上，PMOS管的栅极接到输入信号的反相信号，PMOS管的源极也接到地上。
2.设计输出端：使用一个NMOS管和一个PMOS管组成输出端。
输出端的连接方式为：输出信号接到NMOS管的栅极，NMOS管的源极接到地上，PMOS管的栅极接到输出信号的反相信号，PMOS管的源极也接到地上。
3.设计使能端：使用一个NMOS管组成使能端。
使能端的连接方式为：使能信号接到NMOS管的栅极，NMOS管的源极接到地上，NMOS管的漏极接到输出端PMOS管的栅极。
4.连接电源：将电源正极接到NMOS管和PMOS管的漏极，电源负极接到地上。
5.电平转换：由于NMOS管和PMOS管的阈值电压不同，需要添加电平转换电路。
在输入端和输出端，可以使用电阻和电容组成电平转换电路。
6.调试和测试：测试输入和输出信号，确保三值反相器正常工作。
基于MOS管的三值反相器具有以下特点：●输入和输出为三态信号，可以实现三值逻辑运算。
●使用NMOS和PMOS管构建，具有较高的速度和较低的功耗。
●添加使能端，可以实现对三值反相器的控制。
●需要电平转换电路，以确保NMOS管和PMOS管在不同阈值电压下的正常工作。
请注意，在实际应用中，根据具体需求和性能要求，可以对三值反相器进行优化和调整。
集成电路设计ppt
第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 引言 4.2 集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS工艺流程 4.4 设计规则 4.5 CMOS反相器的闩锁效应 4.6 版图设计
第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS管逻辑电路 5.2 静态CMOS逻辑电路 5.3 MOS管改进型逻辑电路 5.4 MOS管传输逻辑电路 5.5 触发器 5.6 移位寄存器 5.7 输入输出（I/O）单元
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2006.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2002.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2001. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
第六章 MOS管数字集成电路子系统设计 6.1 引言 6.2 加法器 6.3 乘法器 6.4 存储器
6.5 PLA 第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
7.1 引言 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS模拟集成电路基本单元电路 7.4 MOS管集成运算放大器和比较器 7. 5 MOS管模拟集成电路版图设计 第八章 集成电路的测试与可测性设计
1.2 集成电路的发展
1、描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标 （1）集成度（Integration Level）
集成度是以一个IC芯片所包含的元件（晶体管或门/数）来 衡量（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用 IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积 和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩 大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成 度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设 计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构。硅晶片集 成（Wafer Scale Integration -WSI)和三维集成技术也正在研 究开发。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集 成或片上系统（SoC）的时代。
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第六章 MOS管数字集成电路子系统设计 6.1 引言 6.2 加法器 6.3 乘法器 6.4 存储器
6.5 PLA 第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
7.1 引言 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS模拟集成电路基本单元 7.4 MOS管模拟集成电路版图设计 第八章 集成电路的测试与可测性设计
集成电路设计导论
梁竹关
云南大学信息学院电子工程系
第一部分 理论课
第一章 绪言
1．1 集成电路的发展 1．2 集成电路分类 1．3 集成电路设计 第二章 MOS晶体管 2．1 MOS晶体管结构 2．2 MOS晶体管工作原理 2．3 MOS晶体管的电流电压关系 2．4 MOS晶体管主要特性参数 2．5 MOS晶体管的SPICE模型 第三章 MOS管反相器 3．1 引言 3．2 NMOS管反相器 3．3 CMOS反相器 3．4 动态反相器 3．5 延迟 3．6 功耗
第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 引言 4.2 集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS工艺流程 4.4 设计规则 4.5 CMOS反相器的闩锁效应 4.6 版图设计
第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS管逻辑电路 5.2 静态CMOS逻辑电路 5.3 MOS管改进型逻辑电路 5.4 MOS管传输逻辑电路 5.5 触发器 5.6 移位寄存器 5.7 输入输出（I/O）单元
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2019.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2019.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2019. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
3.1 引言
反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低 电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在 电路中的表示符号如图3.1.1所示。
图3.1.1 反相器符号
图3.1.2 反相器结构
3.2 NMOS管负载反相器 3.2.1 增强型NMOS管负载反相器
1、负载NMOS管工作于饱和区的反相器
社，2019年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第三章 MOS管反相器
反相器是构成逻辑电路的一个基本要素，无论是对于恢复逻 辑电平的电路、与非门及或非门电路，还是对于各种形式的时序 电路以及存储器电路，它都是需要的。MOS管反相器分为静态 反相器和动态反相器两种结构形式。静态反相器是动态反相器发 展的基础，通过分析各种静态反相器的特点，才能充分利用各种 静态反相器性能优势，在其基础上发展和应用动态反相器。本章 从静态反相器入手，首先分析了各种静态反相器的电路结构特点、 直流特性、延迟和功耗，然后分析了动态反相器的电路结构特点、 工作特性等。
（a）电路
（b）电压转移特性
图3.2.1 饱和区增强型负载NMOS管反相器
2、负载NMOS管工作于线性电阻区
（a）电路
（b）电压转移特性
图3.2.2 线性区增强型负载NMOS管反相器
3.2.2 耗尽型负载NMOS管反相器
（a）电路
（b）电压转移特性
图3.2.3 耗尽型负载NMOS管反相器
3.3 CMOS反相器 3.3.1 CMOS反相器结构特点
1、静态功耗 图3.6.1 CMOS反相器的稳态时没有电流
图3.6.2 NMOS反相器稳态会产生电流
2、动态功耗
以CMOS反相器为例来分析动态功耗。在输入信号从 逻辑0到逻辑1的跳变或输入信号从逻辑1到逻辑0跳变的瞬间， CMOS反相器的NMOS晶体管和PMOS晶体管都处于导通状态， 这导致一个从电源VDD到地的窄电流脉冲。同时为了对负载电容 进行充电和放电，也需要有电流流动，这将引起功耗。通常，对 负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。
图3.5.2 两级CMOS反相器级联
（a）充电模型
（b）放电模）放电过程
图3.5.4 主要电阻和电容来源
3.6 功耗
CMOS反相器的耗功P由两部分组成， （1）静态功耗，即反向漏电造成的功耗PD； （2）动态功耗，即反相器电平发生跳变时产生的 功耗。
以图3.5.2所示的电路为例，由于对负载电容的充电 和放电所引起的平均动态功耗为：
8.1 引言 8.2 模拟集成电路测试 8.3 数字集成电路测试 8.4 数字集成电路的可测性测试
第二部分 实验课 1、数字集成电路 （1）不同负载反相器的仿真比较； （2）静态CMOS逻辑门电路仿真分析； （3）设计CMOS反相器版图； （4）设计D触发器及其版图； （5）设计模16的计数器及其版图（可选）。 2、模拟集成电路 设计一个MOS放大电路（可选） 。
4学时 4学时 6学时 4学时 36学时
参考文献
[1] 王志功，景为平，孙玲.集成电路设计技术与工具. 南京： 东南大学出版社，2019年7月（国家级规划教材）.
[2]（美）R.Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce. CMOS Circuit Design, Layout and Simulation. 北京： 机械工业出版社，2019.
章次
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
教学进度表
题目
绪言 MOS晶体管 MOS管反相器 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 MOS管数字集成电路子系统设计 MOS管模拟集成电路设计基础 集成电路的测试与可测性设计 总计
教学时 数
2学时 4学时 6学时 6学时
（a）电路
3.3.2 CMOS反相器直流特性 （b）转移特性 （c）电流的变化
图3.3.1 CMOS反相器
3.4 动态反相器 3.4.1 动态有比反相器
图3.4.1 动态反相器
3.4.2 动态无比反相器 图3.4.2 动态无比反相器
3.5 延迟
（a）反相器
（b）输入从逻辑0跳变到逻辑1 （c）输入从逻辑1跳变到逻辑 图3.5.1 反相器产生延迟