E/EMOS倒相器工作原理及倒相器性能的影響

E/EMOS倒相器工作原理

一、工作原理

在E/EMOS倒相器電路中，負載管通常有兩種偏置狀態。一種是柵漏共接電源VDD，稱為飽和型MOS負載；另一種是柵單接電源，稱為非飽和MOS負載。這兩種負載M0S晶體管的連接方法，示于圖2-5中。下面分別討論這兩種倒相器的工作原理。

1、飽和MOS負載倒相器

（1）負載管的I-V特性 

在圖2-5（a）中的TL是柵漏共接的MOS負載器件，它和上面講的純電阻負載不同，是一個隨著源極電壓不同而變化的可變電阻。由于VDD=，VDS，所以滿足。因此，它總是工作在飽和區。另外，我們可以看到，負載管的源電壓Vs是變化的，因此會使柵偏壓VGS也跟著變化，從而溝道電阻也跟著變化，這就是柵偏壓VGS受源極電壓VS的調制作用。圖2-6（a）所示為對溝道調制的截面示意圖。

當負載MOS品體管的源電壓增加時，引起柵源電壓VGS變小，使得溝道變薄，溝道電阻增大，從而電流Ios也逐漸變小。圖2-6（b）是共柵漏MOS負載的I-V特性曲線?？梢钥吹?，Vs=0時，VDD最大，所以Im也最大，當Vs增大時，VGS變小，Ios逐漸減??；當a增加到等于VDD-VT，這時VGS-VT，負載管處于微導通狀態，因此IDS≈0。

從共都漏負我管的I-V特性曲線上看到，它的I-V特性是一條曲線，表明負載管是一個可變電阻，當Vs由0V變到VDD-VT時，其阻值越來越大。

（2）倒相器工作點

飽和負載MOS倒相器的倒相原理，與上述電阻負載倒相器的原理是相同的。當輸入“1”電平時（），輸入MOS管導通。其實這時的負載管也是導通的，但由子輸入管”，的導通電阻設計得比負載管的通導電阻小得很多，電源電壓VDD絕大部分降落在負載管TL上，所以輸出電壓為“0”電平。

當輸入為“0”電平時，輸入MOS管完全截止，其截止電阻很大，電源電壓大部分降落在上，所以輸出為“1”電平。這時負載管上，處于微導通狀態。輸入管截止和導通兩個狀態的兩根輸出特性曲線在圖2-8中表示出來。如把負載管的I-V符性曲線（即為負載線）與輸入管的兩條輸出特性曲線迭加起來，得到倒相器的輸出特性曲線和兩個工作點A和B，其中A為開態工作點，表示倒相器導通狀態，輸出“0”電平；B為關態工作點，表示倒相器截止狀態，輸出“1”電平。

綜上所述，飽和M0S倒相器，只用一個電源，結構比較簡單，使用比較方便。但由于輸出最大電壓只能達到VDD-VTL，比電源電壓低一個圈值電壓的數值，而且VS不直接接地，出于背面柵效應，VT的數值要增大，降低了輸出電壓幅度。如果要求輸出較高的高電平。就得提高電源電壓，產生不必要的電源損失；而且，由于負載管工作在飽和區，當輸出接近高電平值時，負載教管臨近截止狀態，電阻變得很大，對電路速度不利，這在下面還要分析。

2、非飽和MOS例相器 

上面講到，飽和負載MOS倒相器雖然結構簡單，但有明顯的缺點。為了改進倒相器的性能，提高輸出電壓幅度和工作速度，可將倒相器負載管的柵極單獨接一個電源VGS，使負載管工作在非飽和區。這種倒相器稱為非飽和負載MOS倒相器，如圖2-9所示。

為使負載管工作在非飽和區，必須滿足：

由于：

因此：

即

這就是說，要使負載管工作在非飽區，的取值至少要比VDD高一個閥值電壓

與前面分析飽和負載MOS倒相器的方法相同，將負載管的I-V特性與輸入管導通、截止兩個狀態的輸出特性迭加起來，就得到倒相器的輸出特性曲線和兩個工作點A和B。如圖2-10所示。A為開態工作點；B為關態工作點。由于負載管始終工作在非飽和區，溝道電阻很小，，所以輸出高電平近似等于VDD。

綜上所述，非飽和MOS負載倒相器有以下的特點：負載管始終工作在非飽和區，阻值較小，有利于提高工作速度；輸出擺幅較大，最大輸出電壓可達到電源電壓VDD；但由于增加一個電源，增加了線路結構的復雜性；況且功耗較大，輸出低電平的數值稍有提高。

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