深入解析电路主要参数解读技巧

1.信号传输延迟

图4-4所示为一典型的反相器输入和输出波形对比示意图。

图4-3 CMOS反相器直流特性示意图

图4-4 反相器输入和输出波形对比

传输延迟时间τ_PHL和τ_PLH分别决定了输出由高变低和由低变高时的输入到输出的信号延时。

假设输入电压为理想的矩形波形，输入电压的上升和下降时间为0，则输出端50%处的电压为

V_50%=V_OL+（V_OH-V_OL）/2=（V_OH+V_OL）/2

式中，V_OL为输出低电平；V_OH为输出高电平。

则延迟为

假设V_OH=V_IH=V_H=V_DD，V_OL=V_IL=V_L=0，利用电容充电和放电时间的平均电流，根据电压输出翻转时器件的电容电流近似为常量，通过求解输出节点的状态方程可得：

式中，C_L是等效负载电容。

根据这两个公式，设计时在考虑延时的情况下可以计算晶体管的宽长比，也就是所谓的有延时约束的设计。

2.噪声容限

噪声容限是与输入输出电压特性密切相关的参数，通常用两个参数——低噪声容限NM_L和高噪声容限NM_H来确定噪声容限。

NM_L定义为驱动门的最大输出低电平V_OL，max与被驱动门的最大输入低电平V_IL，max之差的绝对值，即

NM_L=V_IL，max-V_OL，max （4-8）

式中，V_IL，max为最大输入低电平；V_OL，max为最大输出低电平。

NM_H定义为驱动门的最小输出高电平V_OH，min与被驱动门的最小输入高电平V_IH，min之差的绝对值，即

NM_H=V_IH，min-V_OH，min （4-9）

式中，V_IH，min为最小输入高电平；V_OH，min为最小输出低电平。

由图4-3可见，在五个工作区的B区和D区，存在着的两个点，这两点对应的输入电压为V_IL和V_IH。如果令x=k_N/k_P，对B区和D区的电流方程求导，并令，就可以解出V_IL和V_IH。当X=1时，其值为

这样就可以根据MOS反相器的V_OH、V_OL、V_IH、V_IL计算出其噪声容限。

3.开关特性

在CMOS电路中，负载电容C_L的充电和放电时间限制了门的开关速度。

CMOS反相器负载电容示意图如图4-5所示，该反相器具有表示电容负载的负载电容C_L（由下一级的输入电容、本级的输出电容和连线电容组成）。当输入是阶跃电压时，输出不是阶跃电压。CMOS反相器的开关特性如图4-6所示。

图4-5 CMOS反相器负载电容示意图

图4-6 CMOS反相器的开关特性

其中上升时间t_r是波形从稳态值的10%上升到90%所需的时间，下降时间t_f是波形从稳态值的90%下降到10%所需的时间，延迟时间t_d是输入电压变化到稳态值的50%的时刻和输出电压变化到稳态值的50%的时刻之间的时间差（延迟时间被认为是从输入到输出的逻辑转移时间）。

（1）下降时间 开关器件NMOS晶体管工作点的移动轨迹如图4-7所示，其中输入电压从V_DD变化到0时的工作点的移动轨迹为图中箭头的示意方向。

最初，NMOS晶体管截止，负载电容充电到V_DD，对应于轨迹曲线的X₁点，当反相器输入端上加阶跃电压时，工作点变化到X₂，此后轨迹沿V_GS=V_DD的特性曲线向原点X₃运动。(www.xing528.com)

图4-7 开关器件NMOS晶体管工作点的移动轨迹

因此下降时间由两个时间间隔组成：

1）电容电压从0.9V_DD下降到V_DD-V_TN所需的时间t_f1。

根据公式进

行积分可得到

2）电容电压从V_DD-V_TN下降到0.1V_DD所需的时间。经过积分计算可以得到

如果假设V_TN=0.2V_DD，则下降时间可以近似为

（2）上升时间 可以用类似的方法计算上升时间，可得到

如果取V_TP=0.2V_DD，则上式可以简化为

4.功耗

CMOS反相器的功耗P由静态功耗和动态功耗两部分构成。静态功耗P_D即是MOS晶体管反向漏电流造成的功耗。而动态功耗P_S又由开关的瞬态电流造成的瞬态功耗P_A和负载电容的充电与放电造成的交变功耗P_T两部分构成。

（1）静态功耗 考虑普通的反相器，在输入为0时，NMOS晶体管截止，PMOS晶体管导通，输出电压是高电平逻辑1；在输入为1时，NMOS晶体管导通，PMOS晶体管截止，输出电压是低电平逻辑0。因此无论CMOS反相器处于这两种逻辑中的哪一个状态，两个MOS晶体管中始终有一个导通，另外一个截止，没有在电源和地之间的通路，也没有电流流入栅极，因此静态功耗是0。

如果考虑扩散区和衬底之间的反向漏电流，则它将产生很小的静态功耗。此时CMOS反相器的静态功耗就是器件的反向漏电流和电源电压的乘积。在室温情况下，合理的估计值是允许每个门的反向漏电流为0.1～0.5nA，那么CMOS门电路总的静态功耗为

式中，n为器件的数目。对于反相器，若电源电压是5V，则由于反向漏电流所造成的静态功耗的典型值是1～2nW。

（2）动态功耗 在从0到1或者从1到0瞬变过程中的一个很短的时间间隔内，NMOS晶体管和PMOS晶体管都处于导通状态。这将导致一个从电源V_DD到地的窄电流脉冲，由它引起的功耗叫交变功耗P_A，其功耗大小取决于负载电容和门的设计。为了对输出端负载电容进行充电和放电，也要求有电流流动，由它引起的功耗叫瞬态功耗P_T。

1）瞬态功耗。假设输入端V_I是重复频率为f_P=1/t_P的脉冲信号，且阶跃输入的上升时间和下降时间比其重复周期小很多，在这个输入电压作用下，开关动作消耗的平均动态功耗P_S近似为P_T。

式中，t_P是方波的周期；i_N为NMOS晶体管的瞬时电流；i_P为PMOS晶体管的瞬时电流。在阶跃输入下，并考虑到，，可以得到

上式表明瞬态功耗与开关频率成正比，而与器件的参数无关。

2）交变功耗。当电路工作频率升高时，交变功耗P_A增大，不容忽视（高速电路的交变功耗P_A与瞬态功耗P_T近似）。

一个周期t_P内的平均交变功耗P_A为

式中，i′为交变电流。

近似计算时可以假设交变电流i′的波形为三角形，此时P_A可以近似为

式中，I′_max为交变电流的峰值。

实际中为便于分析，可以针对交变功耗定义一个“非负载功耗等效电容C_PD”，于是P_A可以改写为

P_A≈C_PDf_PV²_DD （4-17）