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          CMOS倒相器工作原理及電壓傳輸特性詳細分析

          信息來源: 時間:2020-10-16

          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-VTL(其中VTL,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。

          CMOS倒相器

          (一)工作原理

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

          CMOS倒相器

          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

          CMOS倒相器

          (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-VTL)。

          當相器的輸入電壓為高電平(其值為VDD-VTL),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。

          CMOS倒相器

          (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:

          CMOS倒相器

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

          CMOS倒相器


          (3)Vi>V0+VT1,時,驅動器件工作在非飽和區域,其電流方程為:

          CMOS倒相器

          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-VTL2=0

          整理后得:Vo=VDD-VTL=VOH    (1-2-6)    

          即圖1-2-3中的AB段曲線。

          (2)飽和區,1/2βL(VDD-Vo-VTL)=1/2βL[](Vi-VTL2

          整理后得:CMOS倒相器
          其中:        CMOS倒相器

          即圖1-2-3中的BC段曲線。

          (3)非飽和區,CMOS倒相器

          整理后得:CMOS倒相器

          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 Vl=l VT1l),飽和區和非飽和區的分界線為直線(l Vl=l Vo+VTl)。

          CMOS倒相器

          (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-VTL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(βRIL)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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