CMOS倒相器工作原理及電壓傳輸特性詳細分析

MOS倒相器的工作原理

在單一襯底上可集成的最簡單的倒相器就是增強型MOS負載倒相器，它的驅動器件和負載器件均為增強型MOS，所以制造工藝比較簡單。增強型MOS負載常處于導通狀態，就其工作區域的不同又可分為飽和區和非飽和區，分別稱為飽和負載倒相器和非飽和負載倒相器。而E/D MOS和CMOS倒相器的制造工藝雖然復雜，卻換來良好的電路性能。

1-2-1 飽和負載倒相器的轉移特性

飽和負載倒相器的負載器件是工作在飽和區的n溝增強型MOS，通常是用柵極和漏極相連來實現，其電路圖見圖1-2-1。由于負載器件Ti的柵極和漏極短接，并與電源VDD連接，負載管的柵源電壓與漏源電壓相等，即VDSL=VGSL，所以對負載管而言，總是滿足條件VDSL>VGSL-VT_L（其中VT_L，為負載管的開啟電壓），即在漏端附近的硅表面不可能形成反型層，因此負載管始終工作在飽和區。與電阻負載倒相器相比，飽和負載倒相器的負載器件不是純電阻，而是一個非線性電阻；而且負載管由原來的三端元件成為兩端元件。

（一）工作原理

負載管在飽和區工作，T_L的電流與電壓關系滿足飽和區的MOS管電流方程，而且T_L的柵漏極短接，所以得到下列關系：

IDSL與VDSL間為平方關系。又因為VDSL=VDD-Vo即Vo=VDD-VDSL，因此（1-21）式又可寫成

（1-2-2）式就是飽和負我倒相器的負載線方程，圖1-2-2a則是飽和負載倒相器的負載線。把負載線和驅動器件的輸出特性曲線兩者畫在一起，得圖1-2-2b。

當倒相器CMOS倒相器的輸入電壓為低電平，驅動管T1截止，僅有微小的反向電流流過，驅動管的漏漂電流近似為零。負載線與驅動管載止時的曲線交點小為關態工作點，A點對應的都出電壓為高電平VoH，高電平VoH近似等于（VDD-VT_L）。

當相器的輸入電壓為高電平（其值為VDD-VT_L），驅動管T1充分導通，電源電壓VDD大部分降落在負載管的兩端。負載線與驅動管導通時的曲線交點B為開態工作點，B點對應的輸出電壓為低電平VOL，低電平VOL的大小與驅動管的導電因子β1及負載管的導電因子βL有關。β1越大，βL越小，則VOL越小，正如圖1-2-2b中的虛線所示的B'點。由于虛線的A.小于實線的A，所以B'點對應的低電平Va小于B點對應的Vm。MOS管的導電因子β主要與其寬長比（W/L）有關，為得到較低的VOL，負載管TL，的寬長比（W/L）應該較小，驅動管T1的寬長比（W/L）應該較大。

（二）電壓傳輸特性（電壓轉移特性曲線）

靜態工作點只討論開態和關態兩種狀態，即輸入是高電平或者是低電平兩種情況下的輸出狀態。若輸入電壓值在高電平和低電平之間時，輸出是何種狀態呢？電壓傳輸特性曲線給出了各種輸入電壓值下的輸出電壓大小。因此，所謂電壓傳輸特性曲線是指輸入電平V1和輸出電平Vo之間的關系曲線，如圖1-2-3所示。

電壓傳輸特性曲線可由下列方法推出：

（1）寫出負載器件的電流方程。

（2）當輸入電壓值從0伏逐漸上升到VDD，驅動器件先后處于截止區、飽和區和非飽和區三個不同的工作狀態，分別寫出驅動器件在各個不同工作狀態下的電流方程。

（3）根據圖1-2-1的電路圖，令驅動器件的電流等于負載器件的電流。由于這個等式是輸入電壓及輸出電壓的函數，故它就是電壓傳輸特性方程。

（4）根據電壓傳輸特性方程，得到輸入電壓值從0伏上升到VDD所對應的輸出電壓數據，并畫出電壓傳輸曲線。用計算機模擬的方法繪出電壓傳輸特性曲線自然是最簡便的，但它的計算方法和步驟與上述一致。

飽和負載倒相器的負載器件的電流方程由（1-2-2）式的負載線方程給出。

而驅動器件的電流方程需分區域考慮后給出：

（1）0<Vi<V1；時，驅動器件工作在截止區域，其電流方程為：

（2）VT₁，<Vi<Vo+VT₁，時，驅動器件工作在飽和區域，其電流方程為：

（3）Vi>V0+VT₁，時，驅動器件工作在非飽和區域，其電流方程為：

式中VT₁是驅動管T1的開啟電壓，根據上述的步驟[3]分別令三個區域的IDSL=lDSL，則得到三個不同的工作狀態下的電壓轉移關系：

（1）截止區，1/2βL（VDD-Vo-VT_L）²=0

整理后得：Vo=VDD-VT_L=VOH    （1-2-6）    

即圖1-2-3中的AB段曲線。

（2）飽和區，1/2βL（VDD-Vo-VT_L）=1/2βL[]（Vi-VT_L）²

整理后得：
其中:        

即圖1-2-3中的BC段曲線。

（3）非飽和區，

整理后得：

即圖1-2-3中的CD段雙曲線。

在圖1-2-3的電壓傳輸特性曲線中截止區和飽和區的分界線為直線（l V_I l=l VT₁l），飽和區和非飽和區的分界線為直線（l VI l=l Vo+VT_I l）。

（三）飽和負載倒相器的特點

（1）從飽和負載倒相器（CMOS倒相器）的電路圖來看，它使用單一電源，結構簡單，設計方便。

（2）它的輸出高電平為VDD-VT_L比電源電壓低一個閱值電壓的數值。因此難以得圖1-2-3飽和負載創相器的電壓傳輸特性曲線到預期的高電平，產生不必要的電壓損失。

（3）由于負載管始終工作在飽和區，倒相器的功耗大；另外當輸出接近高電平時，負載管的漏源電壓較小，柵源電壓也較小，導致充電能力較差，影響倒相器的工作速度。

（4）它的輸出低電平和電壓傳輸特性都同驅動管與負載管的導電因子比（βR=βI/βL）有關。Bx較大，它的輸出低電平較低，電壓傳輸特性較好。因此在飽和負載倒相器的設計中，總是把驅動管的寬長比設計得大一些，而負載管的寬長比設計得小一些。

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