原创 第三章 逻辑门的高速特性

       数字设计的核心器件是数字逻辑电路。而各种逻辑电路的核心是逻辑门电路。高速数字设计不可避免的要和逻辑门电路打交道，信号的反转，信号的质量，功率的需求等等都和逻辑门的高速特性有着密切的联系。这一章，我们主要研究高速信号下逻辑门电路所表现出来的特点，而重点集中在逻辑门电路的速度和功耗上。

1.MOS管和反相器[10]

1.1反相器

反相器是CMOS电路的核心。MOS管是构成反相器的基础。MOS管是一个四端口器件：b，s，d，g。

    如果不打算深入研究CMOS电路的特性，那么，我们关注的最主要的是g,d,s，b的作用是第二位的，起着调节器件特性和参数的作用。从最基本的观点来看，可以把MOS看成一个开关，当加载GS的电压足够大的时候，SD之间形成导电层，有电流流过。MOS管部分可以参考[1]、[7]。

         一个反相器可以由一个PMOS和一个NMOS构成，如图：一个反相器可以由一个PMOS和一个NMOS构成，如图：<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

当Vin为高的时候，NMOS导通而PMOS关闭，输出为低电平；当Vin为低的时候，NMOS关闭和PMOS导通，在Vdd和Vout之间形成一条通路，输出为高电平。

输出的高低电平分别为VDD和GND，因此电压摆幅等于电源电压。噪声容限很大。反相器的输入阻抗极大，因为输入是加在G级的，gate实际上是一个绝缘体，因此，稳态输入电流近乎为0。这就是为什么说理论上单个反相器可以驱动无穷多个门。一个反相器驱动一个负载时的示意图：

负载CL是接收电路的输入电容。我们来看一下这个电容由什么构成。

首先，对于驱动电路而言，在G和D之间存在一个电容Cgd，BD之间存在扩散电容Gsd，驱动下级电路的扇出电容Cg，以及互联的电容Cw。模型是：

1.2 CMOS的输出阻抗[10]

    首先看一下CMOS电路的输出VI曲线。横轴是输出电压，纵轴是输出电流。

Figure 1: The V-I curve for a driver defines its behavior at all voltages.

这个图中有两条曲线。绿色表示的是输出转换到高的时候电压和电流的关系，紫色表示的是输出转换到低的时候电压和电流的关系。注意，这个曲线是静态曲线！也就是说，将输出接到一个负载上，然后负载慢慢的吸收电流；同理，转换到低的时候负载慢慢的释放电流。

        CMOS电路的电压摆幅是0～VCC，也就是说，当输出为VCC时，驱动电流是0；当输出是0时，驱动电流是Ishort。这些都可以从图中看出来。当负载从驱动器拉出更大的电流时，在曲线上就向左移动。在横轴VCC附近，V-I曲线的斜率定义为驱动器的输出阻抗—— R[ACTUAL]。

    器件的Datasheet通常指定一个VOH和IOH，我们都知道VOH-IOH表示了驱动器输出为高的时候的输出电流。

    很明显，这指出了在保证输出为高的情况下(满足电压容限)，能够从驱动器获得的最大电流(VoL-IOL的意义同理)。

那么，驱动器的最大输出阻抗是多少呢？

输出为高的时候，最大的输出阻抗： R[MAX] = (VCC–VOH) / IOH。

1.3信号标准和逻辑门系列

    驱动器：驱动器从本质上看有两种模式——push-pull, current-steering。

推拉输出比较简单，直接设置电平，接收器判决电平然后接收；电流模式驱动器设置电流，然后通过端接电阻将电流转换为电压模式。推拉模式简单，功耗低；电流模式的信号质量好。由图可见，大部分差分电路都是电流模式的。

电流模式通过获得稳定的电流从而减小了噪声，因为dI/dt 很小。