MOS反相器课件.ppt

电子工程系1.1.MOS 晶体管晶体管 MOS:金属金属氧化物氧化物半导体半导体（Metal-Oxide-semiconductor)MOS晶体管是晶体管是MOS逻辑门的基本构成部分；逻辑门的基本构成部分；MOS：源源极极S、漏极、漏极D、栅极、栅极G；是电压控制器件；是电压控制器件；栅极电压控制漏源电流。栅极电压控制漏源电流。按工作特性分：按工作特性分：增强型、耗尽型增强型、耗尽型 ；按沟道类型分：按沟道类型分：P沟道、沟道、N沟道沟道组合：组合：N沟道增强型；沟道增强型；N沟道耗尽型沟道耗尽型 P沟道增强型；沟道增强型；P沟道耗尽型。沟道耗尽型。以以N沟道增强型为例分析其特性。沟道增强型为例分析其特性。VGSVGS(th)1)输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线和阈值电压 当当VGS0 三个工作区：三个工作区：区区：VDS很很小小，即即VDSVGS-VGS（th），iDS随随VDS线线性上升。性上升。且且VGS不同，上升的斜率就不同不同，上升的斜率就不同可变电阻区；可变电阻区；区区：VDS较较大大，有有：VDS（VGS-VGS（th）夹夹断断，iDS基本不变基本不变恒流区恒流区；区：区：VGSgmL时，时，VOL=0预充偏置管预充偏置管MB自举自举 电容电容CB若反相器输入为高电平若反相器输入为高电平VDD，输，输出为出为VOL，此时，此时VGL0=VDD VTE.自举电容两端的电压为：自举电容两端的电压为：VGSL=VDD-VTE-TOL，CB上充有上充有的电荷为的电荷为CBVGSL。输入电平由高变低时，因为电容输入电平由高变低时，因为电容CB两端的电压不能突变，所以，两端的电压不能突变，所以，负载管的栅点位负载管的栅点位VGL随输出电压随输出电压VO同时上升。这就是自举效应同时上升。这就是自举效应1VGL0=VDD VTEVGSL=VDD-VTE-TOLCBVGSL0VGL随随VO升升高而升高高而升高0 1使输出高电平达到使输出高电平达到VDD，消除，消除了了E/E反相器输出高电平的阀值反相器输出高电平的阀值损失。损失。等效等效为自举效率为自举效率CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vICMOS反反相相器器由由一一个个P沟沟道道增增强强型型MOS管管和和一一个个N沟沟道道增增强强型型MOS管管串串联联组组成成。通通常常P沟沟道道管管作作为为负负载载管管，N沟沟道道管作为输入管。管作为输入管。两两个个MOS管管的的开开启启电电压压VthP0，通通常常为为了了保保证证正正常常工工作作，要要求求VDD|V(thP|+VthN。若若输输入入vI为为低低电电平平(如如0V)，则则负负载载管管导导通通，输输入入管管截截止止，输输出出电电压压接接近近VDD。若若输输入入vI为为高高电电平平(如如VDD)，则则输输入入管管导导通通，负负载载管管截截止止，输出电压接近输出电压接近0V。图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VthPVthN电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性CMOS反反相相器器的的电电压压传传输输特特性曲线可分为五个工作区。性曲线可分为五个工作区。工工作作区区：由由于于输输入入管管截截止止，故故vO=VDD，处于稳定关态。，处于稳定关态。工工作作区区：PMOS和和NMOS均均处处于于饱饱和和状状态态，特特性性曲曲线线急急剧剧变化，变化，vI值等于阈值电压值等于阈值电压Vth。工工作作区区：负负载载管管截截止止，输输入入管管处处于于非非饱饱和和状状态态，所所以以vO0V，处于稳定的开态。，处于稳定的开态。CMOS反相器具有如下特点：反相器具有如下特点：(1)静静态态功功耗耗极极低低。在在稳稳定定时时，CMOS反反相相器器工工作作在在工工作作区区和和工工作作区区，总总有有一一个个MOS管管处处于于截截止止状状态态，流流过过的的电电流流为为极极小小的的漏漏电电流。流。(2)抗抗干干扰扰能能力力较较强强。由由于于其其阈阈值值电电平平近近似似为为0.5VDD，输输入入信信号号变变化化时时，过过渡渡变变化化陡陡峭峭，所所以以低低电电平平噪噪声声容容限限和和高高电电平平噪噪声声容容限限近近似似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3)电电源源利利用用率率高高。VOH=VDD，同同时时由由于于阈阈值值电电压压随随VDD变变化化而而变变化，所以允许化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为有较宽的变化范围，一般为+3+18V。(4)输入阻抗高，带负载能力强。输入阻抗高，带负载能力强。CMOS输入保护电路vOVDDTPTNvIC1D2N D1 D1C2PPPNR输入特性和输出特性输入特性和输出特性(1)输入特性输入特性为为了了保保护护栅栅极极和和衬衬底底之之间间的的栅栅氧氧化化层层不不被被击击穿穿，CMOS输输入入端端都都加有保护电路。加有保护电路。由由于于二二极极管管的的钳钳位位作作用用，使使得得MOS管管在在正正或或负负尖尖峰峰脉脉冲冲作作用用下下不不易发生损坏。易发生损坏。考考虑虑输输入入保保护护电电路路后后，CMOS反相器的输入特性如右上图反相器的输入特性如右上图所示。所示。图3-5-5 CMOS反相器输入特性vIOVDDiI1VvO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL输出低电平等效电路输出低电平时输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2)输出特性输出特性a.低电平输出特性低电平输出特性当当输输入入vI为为高高电电平平时时，负负载载管管截截止止，输输入入管管导导通通，负负载载电电流流IOL灌灌入入输输入入管管，如如右右上上图图所所示示。灌灌入入的的电电流流就就是是N沟沟道道管管的的iDS，输输出特性曲线如出特性曲线如右下右下图图 所示。所示。输输出出电电阻阻的的大大小小与与vGSN(vI)有有关关，vI越越大大，输输出出电电阻阻越越小小，反反相相器带负载能力越强。器带负载能力越强。电源特性电源特性CMOS反反相相器器的的电电源源特特性性包包含含工工作作时时的的静静态态功功耗耗和和动动态态功功耗耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反反相相器器的的功功耗耗主主要要取取决决于于动动态态功功耗耗，尤尤其其是是在在工工作作频频率率较较高高时时，动动态态功功耗耗比比静静态态功功耗耗大大得得多多。当当CMOS反反相相器器工工作作在在第第工工作作区区时时，将将产产生生瞬瞬时时大大电电流流，从从而而产产生生瞬瞬时时导导通通功功耗耗PT。此此外外，动动态态功功耗耗还还包包括括在在状状态态发发生生变变化化时时，对对负负载载电电容容充、放电所消耗的功耗。充、放电所消耗的功耗。TPCMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTNCMOS传输门是由传输门是由P沟道和沟道和N沟道增强型沟道增强型MOS管并联互补组成。管并联互补组成。当当C=0V，C=VDD时时，两两个个MOS管管都都截截止止。输输出出和和输输入入之之间间呈呈现现高高阻阻抗抗，传传输输门门截截止止。当当C=VDD，C=0V时时，总总有有一一个个MOS管管导导通通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。CMOS开关特性开关特性电路图电路图控控制制模模拟拟信信号号传传输输的一种电子开关，的一种电子开关，通通与与断断是是由由数数字字信信号控制的号控制的反相器的输入和输出反相器的输入和输出提供传输门两个反相提供传输门两个反相控制信号（控制信号（C C和和C C）传输门传输门1、电路结构、电路结构2、逻辑符号、逻辑符号逻辑符号各种反相器中，E/DMOS反相器和CMOS反相器最好。但是电路形式的选择和诸多因素有关，涉及到的有：电路系统、电源系统、工艺水平、主要参数、工作条件和兼容性等因素。电路形式选定以后怎么设计内部反相器呢？有比反相器的设计，通常是先确定“选定参数”和“可控参数”，然后再从某些电路参数的要求出发进行设计计算。计算结果若不能全面满足原来提出的要求，再进行修改，直至全面满足要求为止。设计的最终目标是获得可控参数数值和反相器中管子的尺寸。CMOS反相器的两种设计准则：反相器的两种设计准则：2.CMOS反相器的设计反相器的设计a.对称波形设计准则对称波形设计准则b.准对称波形准则准对称波形准则2.动态无比动态无比反相器反相器其中其中1212是两相互不是两相互不重叠的时钟信号重叠的时钟信号1011导通导通截至截至截至截至导通导通预充时钟预充时钟10导通导通截至截至？若若D=0，M1导通，导通，电容对地放电，电容对地放电，Y=0若若D=0，M1截至，截至，电容不放电，输出电电容不放电，输出电平保持不变，平保持不变，Y=1001解决方法：在动态无比反相器前后各解决方法：在动态无比反相器前后各加一个传输门加一个传输门b.在预充时钟作用期间，输出信号是在预充时钟作用期间，输出信号是不真实的。不真实的。a.在求值时钟结束前，输入电平必须在求值时钟结束前，输入电平必须是稳定的，并且在整个求值阶段输入是稳定的，并且在整个求值阶段输入不能改变。不能改变。这种动态无比反相器有两个问题：这种动态无比反相器有两个问题：1110截至截至截至截至导通导通导通导通导通导通C2C3C4被放电被放电到低点位到低点位000010导通导通导通导通101截至截至截至截至11100截至截至截至截至导通导通导通导通截至截至导通导通导通导通导通导通截至截至截至截至0103.漏举电路漏举电路M1传输管传输管M2既是偏置既是偏置管又是输入传管又是输入传输管输管Cb为为漏举电容漏举电容CL为负载电为负载电容容1预充时钟预充时钟2求值时钟求值时钟3输出时钟，输出时钟，滞后滞后2的时的时间应不少于间应不少于G点通过点通过M2,M3和和M4向地放向地放电的时间电的时间