CMOS倒相器工作原理及電壓傳輸特性詳細(xì)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(qiáng)型MOS負(fù)載倒相器，它的驅(qū)動器件和負(fù)載器件均為增強(qiáng)型MOS，所以制造工藝比較簡單。增強(qiáng)型MOS負(fù)載常處于導(dǎo)通狀態(tài)，就其工作區(qū)域的不同又可分為飽和區(qū)和非飽和區(qū)，分別稱為飽和負(fù)載倒相器和非飽和負(fù)載倒相器。而E/D MOS和CMOS倒相器的制造工藝雖然復(fù)雜，卻換來良好的電路性能。

1-2-1 飽和負(fù)載倒相器的轉(zhuǎn)移特性

飽和負(fù)載倒相器的負(fù)載器件是工作在飽和區(qū)的n溝增強(qiáng)型MOS，通常是用柵極和漏極相連來實(shí)現(xiàn)，其電路圖見圖1-2-1。由于負(fù)載器件Ti的柵極和漏極短接，并與電源VDD連接，負(fù)載管的柵源電壓與漏源電壓相等，即VDSL=VGSL，所以對負(fù)載管而言，總是滿足條件VDSL>VGSL-VT_L（其中VT_L，為負(fù)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(fù)載管始終工作在飽和區(qū)。與電阻負(fù)載倒相器相比，飽和負(fù)載倒相器的負(fù)載器件不是純電阻，而是一個(gè)非線性電阻；而且負(fù)載管由原來的三端元件成為兩端元件。

（一）工作原理

負(fù)載管在飽和區(qū)工作，T_L的電流與電壓關(guān)系滿足飽和區(qū)的MOS管電流方程，而且T_L的柵漏極短接，所以得到下列關(guān)系：

IDSL與VDSL間為平方關(guān)系。又因?yàn)閂DSL=VDD-Vo即Vo=VDD-VDSL，因此（1-21）式又可寫成

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

當(dāng)?shù)瓜嗥鰿MOS倒相器的輸入電壓為低電平，驅(qū)動管T1截止，僅有微小的反向電流流過，驅(qū)動管的漏漂電流近似為零。負(fù)載線與驅(qū)動管載止時(shí)的曲線交點(diǎn)小為關(guān)態(tài)工作點(diǎn)，A點(diǎn)對應(yīng)的都出電壓為高電平VoH，高電平VoH近似等于（VDD-VT_L）。

當(dāng)相器的輸入電壓為高電平（其值為VDD-VT_L），驅(qū)動管T1充分導(dǎo)通，電源電壓VDD大部分降落在負(fù)載管的兩端。負(fù)載線與驅(qū)動管導(dǎo)通時(shí)的曲線交點(diǎn)B為開態(tài)工作點(diǎn)，B點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓為低電平VOL，低電平VOL的大小與驅(qū)動管的導(dǎo)電因子β1及負(fù)載管的導(dǎo)電因子βL有關(guān)。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(diǎn)。由于虛線的A.小于實(shí)線的A，所以B'點(diǎn)對應(yīng)的低電平Va小于B點(diǎn)對應(yīng)的Vm。MOS管的導(dǎo)電因子β主要與其寬長比（W/L）有關(guān)，為得到較低的VOL，負(fù)載管TL，的寬長比（W/L）應(yīng)該較小，驅(qū)動管T1的寬長比（W/L）應(yīng)該較大。

（二）電壓傳輸特性（電壓轉(zhuǎn)移特性曲線）

靜態(tài)工作點(diǎn)只討論開態(tài)和關(guān)態(tài)兩種狀態(tài)，即輸入是高電平或者是低電平兩種情況下的輸出狀態(tài)。若輸入電壓值在高電平和低電平之間時(shí)，輸出是何種狀態(tài)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(guān)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(fù)載器件的電流方程。

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

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

（4）根據(jù)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(yīng)的輸出電壓數(shù)據(jù)，并畫出電壓傳輸曲線。用計(jì)算機(jī)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(jì)算方法和步驟與上述一致。

飽和負(fù)載倒相器的負(fù)載器件的電流方程由（1-2-2）式的負(fù)載線方程給出。

而驅(qū)動器件的電流方程需分區(qū)域考慮后給出：

（1）0<Vi<V1；時(shí)，驅(qū)動器件工作在截止區(qū)域，其電流方程為：

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

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

式中VT₁是驅(qū)動管T1的開啟電壓，根據(jù)上述的步驟[3]分別令三個(gè)區(qū)域的IDSL=lDSL，則得到三個(gè)不同的工作狀態(tài)下的電壓轉(zhuǎn)移關(guān)系：

（1）截止區(qū)，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(qū)，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(qū)，

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(qū)和飽和區(qū)的分界線為直線（l V_I l=l VT₁l），飽和區(qū)和非飽和區(qū)的分界線為直線（l VI l=l Vo+VT_I l）。

（三）飽和負(fù)載倒相器的特點(diǎn)

（1）從飽和負(fù)載倒相器（CMOS倒相器）的電路圖來看，它使用單一電源，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)方便。

（2）它的輸出高電平為VDD-VT_L比電源電壓低一個(gè)閱值電壓的數(shù)值。因此難以得圖1-2-3飽和負(fù)載創(chuàng)相器的電壓傳輸特性曲線到預(yù)期的高電平，產(chǎn)生不必要的電壓損失。

（3）由于負(fù)載管始終工作在飽和區(qū)，倒相器的功耗大；另外當(dāng)輸出接近高電平時(shí)，負(fù)載管的漏源電壓較小，柵源電壓也較小，導(dǎo)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(qū)動管與負(fù)載管的導(dǎo)電因子比（βR=βI/βL）有關(guān)。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(fù)載倒相器的設(shè)計(jì)中，總是把驅(qū)動管的寬長比設(shè)計(jì)得大一些，而負(fù)載管的寬長比設(shè)計(jì)得小一些。

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