集成电路设计课件.ppt

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1、集成电路设计基本CMOS数字电路PART2幅度量化和直流电压传输特性(a)电压量化范围(b)电压幅度范围(c)直流电压传输特性曲线直流电压传输特性曲线数字电路中二进制信号的电压幅度的大致范围如图所示图中的VIH是输入最低高电平。只要输入Vin≥VIH，就认为输入逻辑‘1’。图中VIL是输入最大低电平。只要输入Vin≤VIL，就认为输入逻辑‘0’。VIL和VIH之间这段范围就是不确定区，也就是电路无法判别在此区域内的输入量是何种逻辑状态．通常定义电压传输曲线中斜率绝对值为1的辅入电压分别为VILmax和VIHmi

2、n。分别称为最大输入低电平和最小输入高电平。VOHmin和VOLmax分别称为最小输出高电平和最大输出低电平。在数字电路级联工作时，为了保证正确的逻辑关系，它们应满足：VOHmin≥VIHminVOLmax≤VILmax在倒相输出的直流电压传输特性图中作直线Vout=Vin，该直线与特性曲线相交，交点对应电压成为逻辑门阈值电压VTH。噪声容限定义激励门的最大输出低电平与被激励门能够识别的最大输入低电平之差定义为低电平噪声余度NML；激励门的最小输出高电平与被激励门能够识别的最小输入高电平之差则定义为高电平噪声余

3、度NMH低电平噪声容限NML=∣VILmax-VOLmax∣高电平噪声容限NMH=∣VOHmin-VIHmin∣逻辑门的噪声容限NM由下式表达：NM=min{NMH，NML}一个电路的输出必须能驱动一个以上的同类电路，这称为“扇出能力”。一个逻辑电路能够接受的激励源数则称为该电路的“扇入数”。数字电路的瞬态特性数字电路的瞬态特性是研究数字电路输入电压随时间变化时其输出电压的变化规律。通常令输入电压Vin(t)是一个幅度为VOH的理想方波；输出电压的高、低电平分别是VOH和VOL。实际上，由于晶体管内部物理效应和

4、电路输出端等效电容的作用，倒相输出电压波形如图3-3(b)所示。图中定义了描绘瞬态特性的四个时间参量，它们是tf、tr、tpf和tpr。图3-3倒相输出的瞬态特性曲线下降时间tf是输出电平从满幅的90%降到l0%的时间，相对应的电压为V1和V0：V0＝VOL-0.1(VOH-VOL)V1＝VOL+0.9(VOH-VOL)上升时间tr是输出电压从V0上升到V1的时间。为了简便，有时也可以用VOH和VOL代替V1和V0。下降延迟时间tpf是输入阶跃处t1到输出电压降至50%，即降至电压V1/2=(VOL+VOH)/

5、2所需要的时间．上升延迟时间tpr则是从输入阶跃t2处到输出电压升至V1/2的时间。3.2CMOS倒相器理想倒相器符号及真值表理想倒相器的直流传输特性倒相器的直流传输特性说明了输出电压与输入电压的静态关系．输入电压为零时，输出电压为VDD，输入电压增大，达到某一电压VTH时输出电压从VDD转变为零，即输出从逻辑“1”转变为逻辑“0”．由于器件的非理想特性，实际倒相器的直流传输特性和瞬态特性取决于驱动管与负载器件的特性．瞬态特性还和电路中的输出等效电容COUT有关。CMOS倒相器电路结构图CMOS倒相器直流传输特

6、性分析在CMOS倒相器中，输人电压Vin同时接到两个晶体管的栅极，输出端接至两个晶体管的漏极，因此已不存在所谓负载管和驱动管的概念，而是以互补的方式工作。PMOS管和NMOS管在不同工作区域内的电压关系列在表3-1中。表中VTN表示NMOS管的阈值电压，VTP是PMOS管的阈值电压。注意，VTP<0．截止区线性导通区有源导通区PMOS管VGSP-VTP>0Vin-VDD-VTP>0VGSP-VTP

7、NMOS管VGSN-VTN<0Vin-VTN<0VGSN-VTN>VDSN>0Vin-VTN>VDSN>0VDSN>VGSN-VTN>0VDSN>Vin-VTN>0表3-1CMOS倒相器各工作区电压关系CMOS倒相器的直流传输特性图3-11CMOS倒相器的工作状态可以分为五个区域来讨论，它们的电压关系由表3-1决定。相应于这五个工作区的传输特性如图3-11中A、B、C、D、E所示。由CMOS倒相器电路结构图可知：Vin=VGSN,Vout=VDSNVGSP=Vin-VDD,VDSP=Vout-VDDCMOS倒相

8、器直流特性分析A区在Vin