디지털CMOS 인버터의 동작 및 특성

IT CookBook, 최신 VLSI 설계, 조준동, 성균관대학교

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CMOS 인버터의 동작과 구조를 익힌다.

CMOS 인버터의 출력 전류, 출력 전압의 특성을 알아본다.

노이즈 마진을 구한다.

학습목표

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목 차

1.CMOS 인버터의 동작 및 구조

2.CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

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Section 01 CMOS 인버터의 동작 및 구조

1.1 CMOS 인버터의 동작 .

• [그림 5-1] : 기본적인 인버터 회로

• 상단부 : 풀업 트랜지스터로 PMOS

• 하단부 : 풀다운 트랜지스터로 NMOS

• PMOS와 NMOS는 구조상으로도 대칭이며, 서로 상보적인 스위칭 동작을

한다.

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Section 01 CMOS 인버터의 동작 및 구조

• 입력 전압 Vin이 high이면 PMOS는 오프 상태, NMOS는 온 상태이므로 출력

전압 Vout은 low가 된다.

• 입력 전압 Vin이 low일 때 PMOS는 온 상태, NMOS는 오프 상태이므로 출력

전압 Vout 은 high가 된다.

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Section 01 CMOS 인버터의 동작 및 구조

1.2 CMOS 인버터의 구조 .

• NMOS 게이트에 충분히 강한 Vin이 가해지면, 소스와 드레인 사이에 전도성 n

타입 채널이 형성되어 GND로 신호가 빠져나가 NMOS의 드레인에 연결된

Vout = 0이 출력된다.

• 반대로 PMOS는 채널이 형성되지 않아 VDD가 출력에 전달되지 않는다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• Vin = VGSN = VDD-VSGP => VSGP = VDD-Vin

• Vout = VDSN = VDD-VSDP => VSDP = VDD-Vout

• IDN = - IDP

• 포화 : 전압의 증가에 따라 전류가 선형적으로 증가하다가 어느 지점에 가서

더 이상 증가하지 않고 그 값을 그대로 유지

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 교차점 1: Vin = 0에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 Vout = VDD

NMOS는 오프 상태에 있으며 PMOS는 선형 구간에 있게 된다.

• 교차점 2: Vin = 1에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 Vout = VDD에

가까운 VDD보다 작은 지점

NMOS는 포화 구간에 있으며 PMOS는 선형 구간에 있게 된다.

• 교차점 3: Vin = 2에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 교차점 2보다

작은 지점

NMOS는 포화 구간에 있으며 PMOS는 선형 구간에 있게 된다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 교차점 4: Vin = 3에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 Vout = 0에

가까운 교차점 3과 대칭되는 지점

NMOS는 선형 구간에 있으며 PMOS는 포화 구간에 있게 된다.

• 교차점 5: Vin = 4에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 Vout = 0에

가까운 교차점 2와 대칭되는 지점

NMOS는 선형 구간에 있으며 PMOS는 포화 구간에 있게 된다.

• 교차점 3: Vin = 5에 해당하는 NMOS와 PMOS 곡선의 교차점은 Vout = 0

NMOS는 선형 구간에 있으며 PMOS는 오프 상태에 있게 된다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 인접 교차점 간의 영역

• 교차점 1과 교차점 2 사이의 영역: Vout = VDD

• 교차점 2와 교차점 3 사이의 영역: PMOS는 선형영역, NMOS는 포화영역

• 교차점 3과 교차점 4 사이의 영역: PMOS와 NMOS가 모두 포화영역

• 교차점 4와 교차점 5 사이의 영역: PMOS는 포화영역, PMOS는 선형영역

• 교차점 5와 교차점 6 사이의 영역: Vout = 0

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

2.1 이상적 인버터의 동작 특성 .

• [그림 5-7(b)]는 이상적 인버터의 전압 전달 커브

• 전압 전달 커브는 입력 전압이 VM=V+/2가 되는 점을 기준으로 두 개의 영역으로

나뉜다.

• VM은 Vout = Vin이 되는 입력전압

• 입력전압이 0 <= Vin <= VM이면, Vout = V+

• VM <= Vin <= V+이면, Vout = 0

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 이상적인 인버터: 노이즈가 발생하더라도 0 또는 V+와 같은 잘 정의된 논리

값을 출력하는 것. 즉, [그림 5-8]의 세 가지 신호 재생 능력을 가지는 것

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 실제 인버터: [그림 5-8(a)]와 같이 낮은 수준에 해당하는 논리 수준이 0보다

조금 큰 값으로 나타나며, 높은 수준에 해당하는 논리 수준이 V+보다 조금

작은 값으로 나타남.

• 이상적 인버터: 출력 전압의 스윙 수준이 낮은 수준은 0, 높은 수준은 V+로

출력 구동 능력이 최대가 됨. 따라서 정적 파워 손실이 없다.

• 입력 전압 Vin이 0 <= Vin <= VM인 구간에서 Vout = V+가 되기 때문에 그

구간 사이에서 어느 정도 노이즈가 포함된 신호가 입력되어도 Vout=V+가

되어 높은 노이즈 마진을 가짐.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• (5.1a)

• (5.1a)

• (5.2)

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• kN과 kP를 같게 하기 위해서는(대칭의 경우) CMOS 인버터에서 PMOS의 채널

폭은 NMOS의 2배가 되도록 설계해야 한다.

• 대칭적인 경우는 kN=kP로, Vin이 0과 VM 사이의 값일 때 Vout = VDD

• 비대칭의 경우는 kN>kP와 kN<kP의 두 가지

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• kN>kP이거나 WN/LN > WP/LP인 경우, [그림 5-10]의 첫 번째 커브와 같이

VM=VTN이 되어 Vin이 0에서 VTn 사이의 값일 때 NMOS가 턴 온되어 Vout =

VDD가 된다.

• kN<kP이거나 WN/LN < WP/LP인 경우, [그림 5-10]의 세 번째 커브와 같이

VM=VDD+VTP가 되어 Vin이 VDD+VTp에서 VDD 사이의 값일 때, PMOS가 턴

온되어 Vout=0이 된다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

2.2 실제적CMOS 인버터의 동작 특성과 노이즈 마진 .

실제 인버터의 동작 특성

• Vin=VIL : 기울기가 -1인 구간에서의 최소 입력 전압

• Vin=VIH : 기울기가 -1인 구간에서의 최대 입력 전압

• Vin = 0 ~ VIH : 1로 인식되는 입력 값의 범위

• Vin = VIH ~ V+ : 0으로 인식되는 입력 값의 범위

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

실제 인버터의 동작 특성

• 입력 전압 Vin=V+일 때,

• 출력 전압: Vmin

• 기울기가 -1인 구간에서 가장 낮은 출력 전압: VOL

• Vmin과 VOL 사이에서 인버터 출력 값: 0

• 입력 전압 Vin이 VIH<=Vin<=V+의 범위에 있을 때 인버터의 출력: 0

• 입력 전압 Vin=0일 때,

• 출력 전압: Vmax

• 기울기가 -1인 구간에서 가장 높은 전압: VOH

• Vmax와 VOH 사이의 구간에서 인버터 출력 값: 1

• 입력 전압 Vin이 0<=Vin<=VIH의 범위에 있을 때 인버터의 출력: 1

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

노이즈 마진 해석

• 두 개의 연속된 인버터 사이에는 노이즈가 발생하기 마련

• 노이즈 마진 NML과 NMH

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

노이즈 마진 해석

• 신호가 노이즈 마진 내에 있을 때,

• 첫 번째 인버터 M의 논리 1 출력은, 노이즈 마진을 고려하여 두 번째

인버터 N에서 정상적인 논리 1 입력으로 인식된다.

• 첫 번째 인버터 M의 논리 0 출력은, 노이즈 마진을 고려하여 두 번째

인버터 N의 정상적인 논리 0 입력으로 인식된다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

노이즈 마진 해석

• VOL Vmin, VOH Vmax로 간략화

• 기울기 |AV(VM)|는 VM에서의 소신호 전압이득

• VIL : Vout = Vmax일 때 기울기가 -1이 되는 탄젠트의 교차점

• VIH : Vout = Vmin일 때 기울기가 -1이 되는 탄젠트의 교차점

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노이즈 마진 해석

• VM에서 윗부분 기울기

• VM에서 아랫부분 기울기

• 식(5.3)에서 식(5.4)와 (5.5)를 대입하면, 식(5.6)과 같은 노이즈 마진 식을 구할

수 있다.

Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

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• 식(5.6)에서 |AV(VM)| →∞인 경우

• VOH=Vmax=VDD이고, VOL=Vmin=0인 경우

• NML=NMH가 되는 이상적인 경우

VM = VDD/2

NML=NMH=VDD/2

Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석

• CMOS 인버터의 동작을 구간별로 나누어 그 전압 및 전류 특성을 분석해

보자.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 - 영역 1

• 0 <= Vin <= VTN

• N은 오프 상태이고, PMOS는 선형영역 상태

IDSN=IDSP=0 (5.8)

• VDSP=Vout-VDD 그러나 VDSP=0이기 때문에 Vout=VDD가 된다.

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 - 영역 2

• VTN <= Vin <= VDD/2

• NMOS는 포화영역에 있고, PMOS는 선형영역에 있다.

• VDD에서 VSS로 적은 전류가 흐름

• 포화상태의 전류 IDSN는 VGSN=Vin이므로

• IDS는 VGSP와 VDSP에 의해 결정

• VGSP=(Vin-VDD), VDSP=(Vout-VDD)이므로

• -IDSN=IDSP이므로

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 - 영역 3

• Vin = VDD/2

• NMOS와 PMOS 모두 포화영역, 큰 순간전류가 흐름

•

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 - 영역 4

• VDD/2 <= Vin <= VDD+VTP

• NMOS는 선형영역, PMOS는 포화영역

• 위 식에서 Vout

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CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 - 영역 5

• VDD-VTP <= Vin <= VDD

• PMOS는 오프 상태, NMOS는 선형영역

• VGSP=Vin-VDD, Vout=0

CMOS 인버터의 영역별 동작 분석 – 전달 특성

Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

타임도메인에서의 인버터 스위칭

• tR ≡ 전체스윙의 10% ~ 90% 사이의 상승시간

• tF ≡ 전체스윙의 90% ~ 10% 사이의 하강시간

• tPHL ≡ 50% 지점 사이에서 1에서 0으로 바뀌는 전달지연

• tPLH ≡ 50% 지점 사이에서 0에서 1로 바뀌는 전달지연

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Section 02 CMOS 인버터의 출력 전류/전압 특성

• 전달지연이나 회로지연은 논리회로에 안정되고 유효한 신호가 입력되는

순간부터, 논리회로가 안정되고 유효한 신호를 출력될 때까지 걸리는 시간

• [그림 5-18]

• 전달지연: 50% 지점까지의 지연시간으로 간략화

• 평균 전달지연: tP = ½(tPHL + tPLH)

5장 디지털 CMOS 인버터의 동작 및 특성 끝