VLSI设计基础4-反相器

参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化

1. INV综述

1. INV的数集模型
   
   由组成的图可以知道，INV是由两个CMOS管串联组成的。而CMOS的数集模型是理想开关+有限导通电阻or无限关断电阻，故INV的数集模型如下
   
   即两个电阻开关并联。
   图中的CL表示晶体管的漏极电容、连线电容、扇出门的输入电容
2. INV的特性综述
   

3. VTC（电压传输特性）
   所有的工作点不是输出高电平就是输出低电平，如下图：
   
   静态CMOS反向中PMOS和NMOS的负载曲线，原点表示直流工作点

   2. INV的静态特性

4. 开关阈值（VM）
   
   

5. 噪声门限
   
   

   3. 【重点】INV的动态特性——tp

6. 设计角度
   最小的传播延时
   这是厂家最希望的
   满足性能的同时，做到面积最小
   面积最小，意味着成本最低。这里的面积取决于W，也就是选择合适的
   根据扇出设计反相器链的级数
   对于时钟树、复位树等需要多扇出的、且要求tp小的，如何设计一个合理的高扇出的反相器链
   输入信号的上升下降时间对传播延时的影响
7. 计算计算CL
   CL =晶体管的漏极电容+连线电容+扇出门的输入电容.
   

8. 等效电阻Req
   $R_{e q}=\frac{1}{V_{D D} / 2} \int_{V_{D D} / 2}^{V_{D D}} \frac{V}{I_{D S A T(1+\lambda V)}} d V \approx \frac{3}{4} \frac{V_{D D}}{I_{D S A T}}\left(1+\frac{7}{9} \lambda V_{D D}\right)$

   4. 【※重要】计算延时tp——计算、优化

   
   

   5. 根据【延时】设计电路

   
   
   

9. 性能最好（tp-min）的反相器
   
   

   3. 反相链的设计

   反相链结构图
   
   
   

例题

6. 功耗

1. 功耗组成
   动态功耗：来源于电容充放电
   短路电流：当输入电压在某一个区域时，使得上下两管同时导通，从而形成短路电流。
   漏电流：属于静态功耗
2. 动态功耗
3. 工作过程——能量分配
   来源于电容充放电
   
   
4. 公式
   
5. 短路电流引起功耗
   
   
   
   

6. 静态功耗（漏电流）
   
   

   7. 利用【功耗】设计电路

   
   【小贴士】：延迟最低的等效扇出系数为$f=\sqrt[N]{F}$