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1 디지털 CMOS 인버터의동작및특성 IT CookBook, 최신 VLSI 설계, 조준동, 성균관대학교

2 학습목표 CMOS 인버터의동작과구조를익힌다. CMOS 인버터의출력전류, 출력전압의특성을알아본다. 노이즈마진을구한다.

3 목차 1.CMOS 인버터의동작및구조 2.CMOS 인버터의출력전류 / 전압특성

4 Section 01 CMOS 인버터의동작및구조 1.1 CMOS 인버터의동작. [ 그림 5-1] : 기본적인인버터회로 상단부 : 풀업트랜지스터로 PMOS 하단부 : 풀다운트랜지스터로 NMOS PMOS 와 NMOS 는구조상으로도대칭이며, 서로상보적인스위칭동작을한다.

5 Section 01 CMOS 인버터의동작및구조 입력전압 V in 이 high 이면 PMOS 는오프상태, NMOS 는온상태이므로출력전압 V out 은 low 가된다. 입력전압 V in 이 low 일때 PMOS 는온상태, NMOS 는오프상태이므로출력전압 V out 은 high 가된다.

6 Section 01 CMOS 인버터의동작및구조 1.2 CMOS 인버터의구조. NMOS 게이트에충분히강한 V in 이가해지면, 소스와드레인사이에전도성 n 타입채널이형성되어 GND 로신호가빠져나가 NMOS 의드레인에연결된 V out = 0 이출력된다. 반대로 PMOS 는채널이형성되지않아 V DD 가출력에전달되지않는다.

7 V in = V GSN = V DD -V SGP => V SGP = V DD -V in V out = V DSN = V DD -V SDP => V SDP = V DD -V out I DN = - I DP 포화 : 전압의증가에따라전류가선형적으로증가하다가어느지점에가서더이상증가하지않고그값을그대로유지

8 교차점 1: V in = 0 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은 V out = V DD NMOS 는오프상태에있으며 PMOS 는선형구간에있게된다. 교차점 2: V in = 1 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은 V out = V DD 에가까운 V DD 보다작은지점 NMOS 는포화구간에있으며 PMOS 는선형구간에있게된다. 교차점 3: V in = 2 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은교차점 2 보다작은지점 NMOS 는포화구간에있으며 PMOS 는선형구간에있게된다.

9 교차점 4: V in = 3 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은 V out = 0 에가까운교차점 3 과대칭되는지점 NMOS 는선형구간에있으며 PMOS 는포화구간에있게된다. 교차점 5: V in = 4 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은 V out = 0 에가까운교차점 2 와대칭되는지점 NMOS 는선형구간에있으며 PMOS 는포화구간에있게된다. 교차점 3: V in = 5 에해당하는 NMOS 와 PMOS 곡선의교차점은 V out = 0 NMOS 는선형구간에있으며 PMOS 는오프상태에있게된다.

10 인접교차점간의영역 교차점 1과교차점 2 사이의영역 : V out = V DD 교차점 2와교차점 3 사이의영역 : PMOS는선형영역, NMOS는포화영역 교차점 3과교차점 4 사이의영역 : PMOS와 NMOS가모두포화영역 교차점 4와교차점 5 사이의영역 : PMOS는포화영역, PMOS는선형영역 교차점 5와교차점 6 사이의영역 : V out = 0

11 2.1 이상적인버터의동작특성. [ 그림 5-7(b)] 는이상적인버터의전압전달커브 전압전달커브는입력전압이 V M =V + /2 가되는점을기준으로두개의영역으로나뉜다. V M 은 V out = V in 이되는입력전압 입력전압이 0 <= V in <= V M 이면, V out = V + V M <= V in <= V + 이면, V out = 0

12 이상적인인버터 : 노이즈가발생하더라도 0 또는 V+ 와같은잘정의된논리값을출력하는것. 즉, [ 그림 5-8] 의세가지신호재생능력을가지는것

13 실제인버터 : [ 그림 5-8(a)] 와같이낮은수준에해당하는논리수준이 0 보다조금큰값으로나타나며, 높은수준에해당하는논리수준이 V+ 보다조금작은값으로나타남. 이상적인버터 : 출력전압의스윙수준이낮은수준은 0, 높은수준은 V+ 로출력구동능력이최대가됨. 따라서정적파워손실이없다. 입력전압 Vin 이 0 <= Vin <= VM 인구간에서 Vout = V+ 가되기때문에그구간사이에서어느정도노이즈가포함된신호가입력되어도 Vout=V+ 가되어높은노이즈마진을가짐.

14 (5.1a) (5.1a) (5.2)

15 k N 과 k P 를같게하기위해서는 ( 대칭의경우 ) CMOS 인버터에서 PMOS 의채널폭은 NMOS 의 2 배가되도록설계해야한다. 대칭적인경우는 k N =k P 로, V in 이 0 과 V M 사이의값일때 V out = V DD 비대칭의경우는 k N >k P 와 k N <k P 의두가지

16 k N >k P 이거나 W N /L N > W P /L P 인경우, [ 그림 5-10] 의첫번째커브와같이 V M =V TN 이되어 V in 이 0 에서 V Tn 사이의값일때 NMOS 가턴온되어 V out = V DD 가된다. k N <k P 이거나 W N /L N < W P /L P 인경우, [ 그림 5-10] 의세번째커브와같이 V M =V DD +V TP 가되어 V in 이 V DD +V Tp 에서 V DD 사이의값일때, PMOS 가턴온되어 V out =0 이된다.

17 2.2 실제적 CMOS 인버터의동작특성과노이즈마진. 실제인버터의동작특성 V in =V IL : 기울기가 -1인구간에서의최소입력전압 V in =V IH : 기울기가 -1인구간에서의최대입력전압 V in = 0 ~ V IH : 1로인식되는입력값의범위 V in = V IH ~ V + : 0으로인식되는입력값의범위

18 실제인버터의동작특성 입력전압 V in =V + 일때, 출력전압 : V min 기울기가 -1인구간에서가장낮은출력전압 : V OL V min 과 V OL 사이에서인버터출력값 : 0 입력전압 V in 이 V IH <=V in <=V + 의범위에있을때인버터의출력 : 0 입력전압 V in =0일때, 출력전압 : V max 기울기가 -1인구간에서가장높은전압 : V OH V max 와 V OH 사이의구간에서인버터출력값 : 1 입력전압 V in 이 0<=V in <=V IH 의범위에있을때인버터의출력 : 1

19 노이즈마진해석 두개의연속된인버터사이에는노이즈가발생하기마련 노이즈마진 NML 과 NMH

20 노이즈마진해석 신호가노이즈마진내에있을때, 첫번째인버터 M 의논리 1 출력은, 노이즈마진을고려하여두번째인버터 N 에서정상적인논리 1 입력으로인식된다. 첫번째인버터 M 의논리 0 출력은, 노이즈마진을고려하여두번째인버터 N 의정상적인논리 0 입력으로인식된다.

21 노이즈마진해석 V OL V min, V OH V max 로간략화 기울기 A V (V M ) 는 V M 에서의소신호전압이득 V IL : V out = V max 일때기울기가 -1이되는탄젠트의교차점 V IH : V out = V min 일때기울기가 -1이되는탄젠트의교차점

22 노이즈마진해석 V M 에서윗부분기울기 V M 에서아랫부분기울기 식 (5.3) 에서식 (5.4) 와 (5.5) 를대입하면, 식 (5.6) 과같은노이즈마진식을구할수있다.

23 식 (5.6) 에서 A V (V M ) 인경우 V OH =V max =V DD 이고, V OL =V min =0 인경우 NM L =NM H 가되는이상적인경우 V M = V DD /2 NM L =NM H =V DD /2

24 CMOS 인버터의영역별동작분석 CMOS 인버터의동작을구간별로나누어그전압및전류특성을분석해보자.

25 CMOS 인버터의영역별동작분석 - 영역 1 0 <= V in <= V TN N은오프상태이고, PMOS는선형영역상태 I DSN =I DSP =0 (5.8) V DSP =V out -V DD 그러나 V DSP =0이기때문에 V out =V DD 가된다.

26 CMOS 인버터의영역별동작분석 - 영역 2 V TN <= V in <= V DD /2 NMOS는포화영역에있고, PMOS는선형영역에있다. V DD 에서 V SS 로적은전류가흐름 포화상태의전류 I DSN 는 V GSN =V in 이므로 I DS 는 V GSP 와 V DSP 에의해결정 V GSP =(V in -V DD ), V DSP =(V out -V DD ) 이므로 -I DSN =I DSP 이므로

27 CMOS 인버터의영역별동작분석 - 영역 3 V in = V DD /2 NMOS 와 PMOS 모두포화영역, 큰순간전류가흐름

28 CMOS 인버터의영역별동작분석 - 영역 4 V DD /2 <= V in <= V DD +V TP NMOS 는선형영역, PMOS 는포화영역 위식에서 Vout

29 CMOS 인버터의영역별동작분석 - 영역 5 V DD -V TP <= V in <= V DD PMOS는오프상태, NMOS는선형영역 V GSP =V in -V DD, V out =0 CMOS 인버터의영역별동작분석 전달특성

30 타임도메인에서의인버터스위칭 t R 전체스윙의 10% ~ 90% 사이의상승시간 t F 전체스윙의 90% ~ 10% 사이의하강시간 t PHL 50% 지점사이에서 1에서 0으로바뀌는전달지연 t PLH 50% 지점사이에서 0에서 1로바뀌는전달지연

31 전달지연이나회로지연은논리회로에안정되고유효한신호가입력되는순간부터, 논리회로가안정되고유효한신호를출력될때까지걸리는시간 [ 그림 5-18] 전달지연 : 50% 지점까지의지연시간으로간략화 평균전달지연 : t P = ½(t PHL + t PLH )

32 5 장디지털 CMOS 인버터의동작및특성끝

4장 논리 게이트

4장 논리 게이트 4 장논리게이트 게이트 : 논리연산수행 4.1 기본게이트 AND, OR, NOT, NOR, NAND, XOR, XNOR 버퍼게이트 버퍼 : 연결할회로사이에전류, 전압등의구동이나레벨을맞추기위한완충을목적으로사용 진리표와기호 진리표게이트기호 IEEE 표준기호 NC NC 16 15 14 13 12 11 10 9 MC14050B 버퍼게이트 1 2 3 4 5 6 7 Vcc