ch10-FET数位电路

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1、Chapter10FET數位電路本章重點一覽10.1數位反相器雜訊邊距傳輸延遲功率損耗延遲-功率乘積10.2簡單FET反相器10.3天才設計——CMOS反相器2本章重點一覽10.4CMOS反相器特性電壓輸換曲線雜訊邊距功率損耗傳輸延遲延遲-功率乘積扇出數10.5CMOS邏輯電路反或閘反及閘異或閘3本章重點一覽10.6傳輸閘邏輯電路10.7反相器的應用環型振盪器反相放大器簡單比較器10.8結語410.1數位反相器數位反相器的電路符號ViVo假設VH代表數位電路的高電位，而VL代表低電位，則反相器的功能是將輸入信號

2、反相：當Vi=VH，Vo=VL。當Vi=VL，Vo=VH。510.1數位反相器典型的反相器輸入電壓與輸出電壓的關係圖，稱為電壓轉換曲線(VoltageTransferCurve,VTC)VOLVILVIHVOHViVOLVOHslope=1slope=1VoVOL：正常低電位輸出電壓，對應輸入電壓Vi=VOH。VOH：正常高電位輸出電壓，對應輸入電壓Vi=VOL。VIL：可容許之最大低電位輸入電壓。VIH：可容許之最小高電位輸入電壓。610.1數位反相器VIH及VIL定義為VTC中斜率等於–1所對應的兩個輸入電

3、壓。當或，反相電路皆能正確將輸入電壓反相。當則進入模糊區間，此時反相電路無法將輸入電壓正確反相，是實際應用時必須避免發生的情況。710.1數位反相器雜訊邊距低電位雜訊邊距(low-levelnoisemargin)：高電位雜訊邊距(high-levelnoisemargin)：實用上NMH及NML愈大，表示電路愈不容易受雜訊影響，即電路愈穩定。810.1數位反相器傳輸延遲tPHLtPLHVOLVOH(VOH+VOL)/2VOLVOHVittPHL(high-to-lowpropagationdelay)：輸入方波信號轉

4、換電壓後，直到輸出信號由高電位(VOH)下降至所需的時間。tPLH(low-to-highpropagationdelay)：輸入方波信號轉換電壓後，直到輸出信號由低電位(VOL)上升至所需的時間。910.1數位反相器傳輸延遲整體電路的傳輸延遲(tp)則取其平均值：tp愈小代表元件的反應速度愈快，表示單位時間內能處理的資料量愈大。1010.1數位反相器功率損耗靜態功率損耗(staticpowerconsumption)：是指輸出端穩定地處於高電位或低電位時，電路所消耗的功率。動態功率損耗(dynamicpowercon

5、sumption)：是指輸出端在高低電位轉換期間，電路所消耗的功率。CMOS反相器的靜態功率損耗為零，是它的一大優點。1110.1數位反相器延遲－功率乘積(delay-powerproduct)：這個參數讓工程師能以客觀的方式，來比較不同電路在速度及功率兩方面合併考量下的優劣。因此以新的技術或設計降低DP值才是工程師努力的方向。1210.2簡單FET反相器由一顆n-channelFET加一電阻R所組成：ViVoRVDD當Vi=VDD(高電位)時，FET導通且工作在triodemode，等效上像一顆電阻(RON)。假如當

6、Vi=0V(低電位)時，FET處於cutoffmode，1310.2簡單FET反相器ViVoRVDDViVoRVDDIC當Vi=VDD時，Vo0V，此時電路消耗的功率為：而當Vi=0V時，ID=0，電路不消耗功率，POFF=0。故其平均消耗功率為：另一方面當Vi由VDD轉變為0V，使得Vo由0V轉變為VDD時，由於輸出端存在寄生電容(C)，VDD經由R向C充電，顯然R愈大充電時間愈長，即Vo由0V上升至VDD的時間愈長，造成轉換速度變慢。1410.2簡單FET反相器從功率損耗上考量，我們希望R愈大愈好；從速度上

7、考量，我們希望R愈小愈好；所以FET反相器在實用上卻面臨功率損耗和速度兩者無法兼顧的困境。1510.3天才設計-CMOS反相器由n-channelMOSFET及p-channelMOSFET組合而成，兩者具有互補作用，故稱為ComplementaryMOS(CMOS)。VDDQpVoQnVi用一顆p-channelMOSFET取代簡單反相器中的R1610.3天才設計-CMOS反相器CMOS反相器的工作原理：當Vi=VDD時，Qn導通Qp不導通，Qn等效上像一顆電阻RON，但由於Qp不導通，所以：當Vi=0V時，Qp導通

8、Qn不導通，QP導通時等效上像一顆電阻RON，但由於Qn不導通，所以：1710.3天才設計-CMOS反相器當Vi=VDD時，Qn導通但Qp不導通，故電源不需提供任何電流，即功率損耗為零。當Vi=0V時，Qp導通且Qn不導通，VDD經由Qp向輸出端寄生電容C充電。由於Qp的RON很小，故充電速度很快。所以CMOS在功率損耗和速度兩方