VLSI3

1. LLeeccttuurree 33
CCMMOOSS IInnvveerrtteerrss

2. TTooppiiccss
IInnvveerrtteerr VVTTCC
NNooiissee MMaarrggiinn
SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerrss

3. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr
FFiirrsstt--OOrrddeerr DDCC AAnnaallyyssiiss
VDD VDD
Vout
Vout
Vin=0 Vin= VDD
VOL = 0
VOH = VDD
Rp
Rn

4. tpHL = f(Ron.CL)
= 0.69 RonCL
CL
Rn
CCMMOOSS IInnvveerrtteerr:: TTrraannssiieenntt RReessppoonnssee
VDD
Rp
VDD
Vout
CL
Vout
Vin=0 Vin= VDD
(a) Low-to-high (b) High-to-low

5. VGSp=-1
VGSp=-2.5
VDSp
Vin=0
Vin=1.5
Vout
PPMMOOSS LLooaadd LLiinneess
IDn
Vin = VDD +VGSp
IDn = - IDp
Vout = VDD +VDSp
Vout
IDp
Vin=0
Vin=1.5
IDn IDn
VDSp
Vin = VDD+VGSp V = V +V
IDn = - IDp
out DD DSp

6. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr LLooaadd
CChhaarraacctteerriissttiiccss
IDn
Vin = 0 Vin = 2.5
PMOS Vin = 0.5 Vin = 2 NMOS
Vin = 1.5
Vin = 2
Vin = 2.5
Vin = 1
Vin =1.5
Vin = 1.5
Vin = 1
Vin = 1
Vin = 0.5
Vin = 0
Vout

7. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vout
5.2
2
5.1
1
5.0
NMOS off
PMOS res
NMOS sat
PMOS res
NMOS sat
PMOS sat
NMOS res
PMOS sat NMOS res
PMOS off
ECE 249 VLSI Design and Simulation
0.5 1 1.5 2 2.5 Vin © John A. Chandy

8. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vout
VDD
nMOS cutoff
pMOS linear
Vtn Vin

9. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vout
VDD
nMOS saturation
pMOS linear
Vtn Vout-Vtp Vin

10. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
2 2
SSeett ppMMOOSS LLiinneeaarr IIDDSS eeqquuaall ttoo nnMMOOSS
SSaattuurraattiioonn IIDDSS
 V  V 
2   V V 
2 
k  in
tn
  k V V  V V V  out DD
n  
 
2
p  in

DD tp out DD 

2
Vout  VDD 
2
 Vin  VDD Vtp Vout
 VDD  
kn
kp
Vin  Vtn   0
2
Vout  VDD   Vin
 VDD  Vtp 


Vout  Vin  Vtp 
Vin  VDD  Vtp 
2

k
kn Vin  Vtn 
2
p
Vin  VDD  Vtp 
2

k
kn Vin  Vtn 
2
p

11. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vin  VDD  Vtp 
2
 2
k
kn VDSATn Vin  Vtn 
 VDSATn


p
 2 
out in tp
 2



 SShhoorrtt cchhaannnneell mmooddeell
 V   V V 
2 
k V V V  DSATn
  k V V  V V V out DD

n DSATn
 in tn
2
2  p  in DD tp out DD 

Vout  VDD   V V  V V V  
kn
V



VDSATn

0
2
in DD tp
V  V  V  V  V 
out DD DSATn Vin Vtn  
p
 2 


out DD in DD tp
V  V  V  Vin  VDD  Vtp 
2
 2
k
kn VDSATn Vin  Vtn 
 VDSATn


p
 2 
k

12. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC

Vout
VDD
nMOS saturation
pMOS saturation
Vtn
Vout-Vtp Vout-Vtn
Vin

13. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
linear
saturation
Vout -Vtp Vout -Vtn
Vout
VDD
nMOS
pMOS
Vtn VDD-Vtp Vin

14. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vin  Vtn 
2

k
kp
Vin  VDD  Vtp 
2
n

 SSeett nnMMOOSS LLiinneeaarr IIDDSS eeqquuaall ttoo ppMMOOSS
SSaattuurraattiioonn IIDDSS

V V  V 
2   2 

in DD tp   k
V  V V 
Vout
p
2

 in

tn out
2 

2
V 2
k
Vin  VDD  Vtp 
out
 V  V V  p
 0
Vout
2
 Vin
in tn
 Vtn 
out
n
k  n
k 2

15. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vin  Vtn 
2
 2
k
kp
VDSATp Vin  VDD  Vtp 
 VDSATp


n  2 
n
2
SShhoorrtt cchhaannnneell mmooddeell
 V  
V 2 
k V V V V  DSATp
  k V  V V  out
p DSATp in

V 2
DD tp
k
in
 

tn out
2 

V 
out
 V  V V  p
V V V V  DSATp
  0
Vout
2
 Vin
in tp
 Vtn 
out DSATp in DD tp
n  


2
k

16. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vout
VDD
Vtn VDD-Vtp Vin













nMOS linear
pMOS cutoff
Vout-Vtp Vout-Vtn VDD

17. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
VDD
Vout
VDD
Vtn VDD-Vtp Vin

18. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr
VViinn
ppMMOOSS
mmooddee
nnMMOOSS
mmooddee VVoouutt
VViinn <<VVtt LLiinneeaarr CCuuttooffff VDD
VVtt <<VViinn << VVoouutt --VVtt LLiinneeaarr SSaattuurraattiioonn
2 2
Vin  Vt  Vin VDD  Vt   Vin Vt 
VVoouutt--VVtt<<VViinn<<VVoouutt++VVtt SSaattuurraattiioonn SSaattuurraattiioonn IInntteerrppoollaattee
VVoouutt++VVtt<<VViinn<<VVDDDD--VVtt
SSaattuurraattiioonn LLiinneeaarr
2 2
Vin Vt  Vin Vt   Vin  VDD  Vt 
VViinn >> VVDDDD--VVtt
CCuuttooffff LLiinneeaarr 0

19. SSwwiittcchhiinngg TThhrreesshhoolldd
n
TThhee ppooiinntt aatt wwhhiicchh tthhee iinnvveerrtteerr hhaass bbootthh
ttrraannssiissttoorrss iinn ssaattuurraattiioonn
k
2
VM
Vtn
2 kp
  
2
VM VDD Vtp 

VM Vtn   VM
VDD Vtp 

VM 1 r Vtn  rVDD Vtp 
V 
Vtn  rVDD  Vtp 
M
1 r
kp
kn
2

20. SSwwiittcchhiinngg TThhrreesshhoolldd
V 
rVDD  Vtp  Vtn
M
1 r
WWhheenn VVttnn==--VVttpp aanndd rr==11,,
V 
VDD
M
2
IInn sswwiittcchhiinngg rreeggiioonn,, tthhee ccuurrvvee iiss aaccttuuaallllyy
vveerrttiiccaall;; VVoouutt ccaann hhaavvee mmuullttiippllee vvaalluueess

21. CCMMOOSS IInnvveerrtteerr VVTTCC
Vout
VDD
VM -Vtp
VM -Vtp
Vtn
VM VDD-Vtp Vin
VDD

22. SSwwiittcchhiinngg TThhrreesshhoolldd

WWiitthh sshhoorrtt--cchhaannnneell ddeevviicceess
k V
 VDSATn
 

VDSATp


n DSATn VM Vtn    kpVDSATpVM VDD Vtp  
 2   2 

VM  Vtn  VDSATn

 
kpVDSATp

VM  VDD  Vtp 
VDSATp


 2  knVDSATn  2 
 kpVDSATp


VDSATn
kpVDSATp


VDSATp

VM 1
k V
  Vtn  2 k V
VDD Vtp 
2
 n DSATn 
V 
VDSATn
n DSATn 


VDSATp


tn
2
 rVDD Vtp 
2

V 
 
M
1 r
r
V  VM DD
1 r

23. NNooiissee MMaarrggiinn
 AA mmeeaassuurree ooff tthhee aacccceeppttaabbllee nnooiissee aatt aa
ggaattee iinnppuutt ssoo tthhaatt tthhee oouuttppuutt iiss nnoott
aaffffeecctteedd..
Noise Noise

24. NNooiissee BBuuddggeett
 AAllllooccaatteess ggrroossss nnooiissee mmaarrggiinn ttoo eexxppeecctteedd
ssoouurrcceess ooff nnooiissee
 SSoouurrcceess:: ssuuppppllyy nnooiissee,, ccrroossss ttaallkk,,
iinntteerrffeerreennccee,, ooffffsseett
 DDiiffffeerreennttiiaattee bbeettwweeeenn ffiixxeedd aanndd
pprrooppoorrttiioonnaall nnooiissee ssoouurrcceess

25. KKeeyy RReelliiaabbiilliittyy PPrrooppeerrttiieess
 AAbbssoolluuttee nnooiissee mmaarrggiinn vvaalluueess aarree ddeecceeppttiivvee
–– aa ffllooaattiinngg nnooddee iiss mmoorree eeaassiillyy ddiissttuurrbbeedd tthhaann aa
nnooddee ddrriivveenn bbyy aa llooww iimmppeeddaannccee ((iinn tteerrmmss ooff
vvoollttaaggee))
 NNooiissee iimmmmuunniittyy iiss tthhee mmoorree iimmppoorrttaanntt mmeettrriicc –– tthhee
ccaappaabbiilliittyy ttoo ssuupppprreessss nnooiissee ssoouurrcceess
 KKeeyy mmeettrriiccss:: NNooiissee ttrraannssffeerr ffuunnccttiioonnss,, OOuuttppuutt
iimmppeeddaannccee ooff tthhee ddrriivveerr aanndd iinnppuutt iimmppeeddaannccee ooff tthhee
rreecceeiivveerr;;

26. NNooiissee MMaarrggiinnss
VDD
NMH
NML
n
VOHmi
VIHmin
VILmax
VOLmax
VSS

27. NNooiissee MMaarrggiinnss
•Obvious choice
•Set VIH=VIL =VM
•No noise margin
•High gain at VIH andVIL
•Any perturbations could
cause incorrect values
VDD
Vout
VDD
VOH
Vsth Vin
?

28. NNooiissee MMaarrggiinnss
•Set VIL = Vtn and
VIH = VDD -Vtp
•VOL = 0 and
VOH = VDD
•Too restrictive
VDD
Vout
VDD
Vtn VDD-Vtp Vin

29. NNooiissee MMaarrggiinnss
•Voltage Transfer Function
Vout  f Vin 
•Voltage Transfer Function with Noise
Vout  f Vin  Vnoise 
Vout  f Vin  
dVout
dVin
Vnoise
•Perturbed voltage is the sum of the nominal output plus
the gain times the noise
•Keep the gain less than 1

30. NNooiissee MMaarrggiinnss
VDD
Vout
VOH
VOL
VIL VIH Vin

31. NNooiissee MMaarrggiinnss
 SSeettttiinngg tthhee ddeerriivvaattiivvee ttoo --11 aanndd ssoollvviinngg
VIH  VM  VM
VM VTn VDSATn 2n  p 
1 r
VIL  VM  VDD  VM 
VM VTn VDSATn 2n  p 
1 r
 AAssssuummiinngg r  1,VTn  VTp ,VDSATn  VDSATp
VDD




VDD VDSAT  n  p 

VIH  1  VT   
2   2 2  2 

VDD




VDD VDSAT  n  p 

VIL  1  VT   
ECE 249 VLSI Design and Simulation
2   2 2  2  © John A. Chandy

32. NNooiissee MMaarrggiinnss
•VDD = 5 V
•Vt = 0.5 V
•VDSAT=1.0V
•=0.1
VDD
Vout
4.4
0.5
2.125 2.875 Vin

33. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
VDD
VOUT
VIN

34. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
Vout
VDD
VDD
VOUT
VIN
Vt Vin

35. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
 TTrraannssiissttoorr iiss iinn ssaattuurraattiioonn
2
VDD
IDS  kn
VGS VT 
2
1VDS 
2
VOUT
VOUT  VDD  RknVIN VT 
2
1 VOUT 
2
VIN
VOUT 
2VDD  Rkn VIN VT 
2  Rkn VIN VT 
2

36. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr

Vout
VDD
VDD
VOUT
VIN
Vt Vin

37. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
TTrraannssiissttoorr iiss iinn lliinneeaarr rreeggiioonn
VDD
 V 2 
I  k V V V  DS
 VOUT
DS n GS

T DS
2 



V 2 

 VIN
V  V  Rk V  V V  OUT

OUT DD n IN

T OUT
2 


Rkn
2
VOUT
2
Rk VIN VT 1VOUT  VDD  0
VOUT  VIN VT 
1

Rkn

VIN VT 

1 2
Rkn 
  2
VDD
Rkn
n

38. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
Vout
VDD
VDD
VOUT
VIN
Vt
VDD Vin

39. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
8 VDD
3 kn R
Vout
•Noise Margin
VDD
1
V  V 
IL T
V  V
kn R
1
 
IH T
kn R
Vt
VDD Vin

40. SSttaattiicc LLooaadd IInnvveerrtteerr
DDooeess nnoott ggoo ddoowwnn aallll tthhee wwaayy ttoo 00
NNooiissee mmaarrggiinnss aarree ttiigghhtteerr
SSwwiittcchhiinngg tthhrreesshhoolldd iiss nnoott cceenntteerreedd
TToo ggeett hhiigghh ggaaiinn iinn tthhee ttrraannssiittiioonn rreeggiioonn,,
yyoouu nneeeedd bbiiggggeerr rreessiissttoorrss

41. HHoommeewwoorrkk
DDuuee FFeebbrruuaarryy 33rrdd
RReeaadd CChhaapptteerr 22