数字集成电路基本单元与版图

5. E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止， NMOS导通。
Vdsn = 0 |Vdsp| = Vdd Idsp = 0
等效电路如图所示。
转移特性（续）
综合上述讨论，CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流如图
所示。
Vo
Id s n
AB Vd d
Vo
D
Eபைடு நூலகம்
C
0
Vtn
Vdd Vdd+Vtp Vdd
-
Vtn )2
n
n t ox
Wn Ln
称之为NMOS平方率跨导因子。
PMOS等效于非线性电阻：
Isdp
=
p[(Vi
-
Vdd
-
Vtn
)
( Vo
-
Vdd
)
-
1 2
(Vo
-
Vdd
)]
p
p Wp tox Lp
称之为PMOS平方率跨导因子。
在Idsn的驱动下，Vdsn自Vdd下降, |Vdsp|自0V开始上升。等效电路如图所 示。
Is-s= 0
Vi = Vdd (I = 1) Vo = 0
(O=0)
Pdc= 0
从一种状态转换到另一种状态时，有：
(I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0)
Is-s 0 Ptr 0
转移特性（续）
对于模拟信号，CMOS反相器必须工作在B区和D 区之间，反相器支路始终有电流流通， 所以
Is-s> 0， Pdc> 0 。
[3]. CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性与研究静态 特性不同的地方在于必须考虑 负载电容（下一级门的输入电 容）的影响。
脉冲电路上升，下降和延迟 时间的定义，即如图所示。
tr ： (Vo=10%VomaxVo=90%Vomax) tf ： (Vo=90%VomaxVo=10%Vomax) td ： (Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)
[2]. 转移特性（续）
在直流电路上，PMOS和NMOS串联连接在Vdd 和 地之间，因而有
Vdsn - Vdsp = Vdd
Idsn从NMOS的d流向s，是正值, Idsp从PMOS的d流 向s，是负值。
[2]. 转移特性（续）
把PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一样， 把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上。如图所示
7.1 TTL基本电路
VCC（5V）
Rb1 Rc2
Rc4
＋
T1
υ1
－
T2 Re2
T4
D ＋
T3 负 v0 载 －
GND
图7.1 TTL反相器的基本电路
VCC
Rb1 Rc2
Rc4
A
B
T1
C
T4
T2
D
A
L
B T3
C Re2
& L ABC
（a）
GND
（b）
图7.3 具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路： （a）电路图，（b）符号
Vi
Vdd
Vtp 1
Vtn n n / p
/p
如果n=p，且有 Vtn= -Vtp，则有 Vi = Vdd/2 但是，n (2-3) p，所以应有 Wp/Lp 2.5 Wn/Ln 由n=p，Vtn= -Vtp和Vi = Vdd/2，应有 VO = Vdd/2
转移特性（续）
比(n/p)对转移特性的影响，如下图所示。
在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补
它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载：
它们都是增强型 MOSFET
对于NMOS有 对于PMOS有
Vi < Vtn Vi > Vtn
截止 导通
Vi > Vdd - |Vtp| 截止 Vi < Vdd - |Vtp| 导通 对输入和输出信号而言，PMOS和NMOS是并联的
转移特性（续）
整个工作区可以分为五个区域来讨论：
1. A区：0 Vi Vtn
NMOS截止 Idsn = 0
PMOS导通 Vdsn = Vdd Vdsp = 0
等效电路如右图所示。
转移特性（续）
2. B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区，等效于一个电流源：
Idsn
=
n 2
(Vi
转移特性（续）
3. C区： Vi ½ Vdd
NMOS导通，处于饱和区，
PMOS也导通， 处于饱和区，
均等效于一个电流源，等效电路如 右图所示。此时有，
Idsn
=
n 2
(Vi
- Vtn )2
Idsp
=
p 2
(Vi
-
Vdd
Vtp )2
转移特性（续）
两个电流必须相等，即 Idsn = Isdp，所以
n (Vi -Vtn )2 = p (Vi -Vdd Vtp )2
另外一种符号表示
注意2：
NMOS的源极接地， 漏极接高电位； PMOS的源极接Vdd， 漏极接低电位。
注意3：
输入信号Vi对两管来说， 都是加在g和s之间， 但
是由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vi对两管来说参考电位是不同的。
Vdd，所以
[2]. 转移特性
在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：
CMOS反相器的瞬态特性
i) Vi从1到0, CL充电。
在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为： Vdsn：0Vdd |Vdsp|：Vdd0 ，即 123原点
CMOS反相器的瞬态特性
考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和 状态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算。
﹤
CMOS反相器的瞬态特性
转移特性（续）
4. D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反：
PMOS导通，处于饱和区，
等效一个电流源：
I dsp
=
p 2
(Vi
- Vdd
Vtp )2
NMOS强导通，等效于非线性电阻：
Idsn
n Vi
Vtn
Vdsn
V2 dsn 2
等效电路如图所示。
转移特性（续）
VCC
R1A
R2
R1B
A
T1A
T2A T2B
T1B
B
Re2
R4
T4
D L
T3
A
B
≥1
L AB
GND
（a）
GND
（b）
图7.4 TTL或非门 (a) 电路图 (b) 符号
7.2 CMOS反相器
[1]. 电路图
标准的CMOS反相器 电路如图所示。
注意1： NMOS和PMOS的衬底是分开的， NMOS的衬底接最低电位地， PMOS的衬底接最高电位Vdd。
Vi
2
转移特性（续）
PMOS和NMOS在5个区域中的定性导电特性。
A
B
C
D
E
PMOS on+++
on++
On+
On
off
NMOS off
on
on+
on++
on+++
转移特性（续）
对于数字信号，CMOS反相器静态时，或工作在 A区， 或工作在E区。 此时有：
Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd ( O = 1 )
a、饱和状态时 假定VC(0)=0, 恒流充电时间段有