電阻負載MOS倒相器工作原理及倒相器性能的影響

MOS集成電路，目前應用廣泛，品種很多，發展了許多復雜功能的大規模集成電路。各種具體的邏輯電路，雖然功能各有差異，各具有一定的特殊性，但都可以將任何復雜的 MOS電路分解為最基本的倒相器電路。電阻負載MOS管。因此將倒相器的原理、特性分析清楚，便可解決電路在設計中所遇到的普遍問題。

MOS倒相器根據電路結構形式和制造工藝不同，可以分成四種類型。

①電阻負載MOS倒相器這種倒相器

它的輸入管是增強型MOS管，負載是一個線性電阻。

②E/EMOS倒相器這種倒相器

輸入器件和負載器件均為增強型MOS管，稱為增強型-增強型MOS倒相器。如按不同的溝道，又可分為PMOS和NMOS倒相器。

③E/DMOS倒相器這種倒相器

輸入器件為增強型MOS管，負載器件為耗盡型MOS管，所以稱為增強型-耗盡型MOS倒相器。這種倒相器，多數為N溝道器件，也可以用P溝道制造。

④CMOS倒相器這種倒相器

由兩種不同溝道的MOS管串聯組成?；蛘呤窃鰪娦偷腘MOS管作輸入器件，PMOS作負載，或者是增強型的PMOS作輸入器件而用NMOS作負載。這種倒相器稱為互補倒相器。

這四種倒相器有一個共同特點，其輸入器件都是增強型的MOS管。

本章主要講述E/EMOS、E/DMOS、CMOS倒相器的工作原理以及由這些倒相器分別組成的門電路。

圖2-1是一個以電阻RL為負載的倒相器電路。它的輸入管是一個N溝道增強型MOS管，負載是一個純電阻RL。電阻負載MOS管。輸入管的源極接地，負載電阻RL一端接管子的漏極，另一端接電源VDD。用輸入管的柵極作為輸入端，輸入信號用（即VGS）表示，輸出端由漏與電阻的聯結處取出，輸出信號用（即VDS）表示。

一、電阻負載MOS倒相器工作原理

下面我們來說明它的工作原理。當輸入“1”電平，例如，因為，所以使輸入MOS管充分導通。由于MOS管的導通電阻遠比負載電阻RL小，所以在MOS管上的電壓降很小，即輸出“0”電平（）。相反，如果輸入為“0”電平（接地），因為，輸入MOS管截止，溝道電阻遠比純電阻RL大，所以輸出就變為“1”電平（V?！?VDD）。輸入MOS的兩個狀態，可用圖2-2中MOS管的兩根輸出特性曲線表示出來。電阻負載MOS管。其中靠近電壓坐標軸的一條直線，表示輸入MOS管截止時的輸出特性曲線，上面一條，表示輸入MOS管導通時的輸出特性曲線。圖2-3為倒相器輸入波形與輸出波形的對應關系，表示倒相器具有倒相的功能。

二、負載線與工作點

所謂負載線，是指倒相器的輸出電壓Vo與工作電流IDS的函數關系。當輸入器件充分導通時，倒相器負載電阻上的電壓降為：

由于此時輸出電壓=0，所以IDSRL=VDD。因此：

如果當，輸入管處于截止狀態，即IDS≈0，所以：

于是，可根據（2-2）式和（2-3）式，在輸出特性曲線的坐標軸上作出兩點，一點為，另一點為連接這兩點的一條直線就中是倒相器的負載線。它與輸入管的輸出特性曲線相交于A、B兩點，就是倒相器處于開和關的兩個工作點。

A點是倒相器的開態，B點是倒相器的關態。與A、B兩點相對應的電壓Vo，就是輸出的低電平與高電平。從圖上看到，輸出電壓的范圍近似在0~VDD之間；可見電阻性負載倒相器的輸出電壓擺幅是比較大的。

三、不同負載對倒相器性能的影響

倒相器的性能與負載RL值大小的關系，可由圖2-4表示出來。圖中為負載電阻RL不同的倒相器輸出特性曲線。從這個曲線上明顯看到，當RL增大時，負載線向橫軸靠近，開態工作點向原點靠近，使得輸出“0”電平更接近0V，倒相器的工作電流也愈小，這是我們所希望的。因為實際應用總希望輸出“0”電平愈接近0V愈好，倒相器的功耗也愈小愈好。從圖中可以看到RL=120kΩ要比RL=20kΩ的倒相器性能好得多，小于20kΩ的RL是不實用的。

實際上，采用電阻作負載器件的倒相器，要制造集成化的MOS電路是有困難的。電阻負載MOS管。因為要采用擴散電阻或薄膜電阻都存在一定的問題。電阻負載MOS倒相器

采用擴散電阻作負載，有三個缺點：

①用擴散技術制作高阻值的電阻，成品率低；

②占用晶片面積大，無法提高集成度；

③擴散電阻面積大，擴散結與襯底之間的分布電容也很大，影響電路的開關速度。

所以在MOS集成電路中，一般都不用純電阻作負載，而是采用MOS管作為負載，稱為負載管。

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