第5章MOS反相器.pdf

填空题 解答题 1、请给出 NMOS 晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值）。【答案：】2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响 【答案：】器件的亚阈值特性是指在分析 MOSFET 时，当 Vgs0，源与衬底的 PN 结反偏，耗尽层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。影响：使得 PMOS 阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。5、什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响 【答案：】MOS 晶体管存在速度饱和效应。器件工作时，当漏源电压增大时，实际的反型层沟道长度逐渐减小，即沟道长度是漏源电压的函数，这一效应称为“沟道长度调制效应”。影响：当漏源电压增加时，速度饱和点在从漏端向源端移动，使得漏源电流随漏源电压增加而增加，即饱和区 D 和 S 之间电流源非理想。6、为什么 MOS 晶体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）【答案：】晶体管开通后，其漏源电流随着漏源电压而变化。当漏源电压很小时，随着漏源电压的值的增大，沟道内电场强度增加，电流随之增大，呈现非饱和特性；而当漏源电压超过一定值时，由于载流子速度饱和（短沟道）或者沟道夹断（长沟道），其漏源电流基本不随漏源电压发生变化，产生饱和特性。7、给出 E/R 反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算 VTC 曲线上的临界电压值 【答案：】VinVT0时，MI处于截止状态，不产生任何漏极电流。随着输入电压增加而超过 VT0时，MI开始导通，漏极电流不再为 0，由于漏源电压 VDS=Vout大于 Vin-VT0，因而 MI初始处于饱和状态。随着输入电压增加，漏极电流也在增加，输出电压Vout开始下降，最终，输入电压大于Vout+VT0，MI进入线性工作区。在更大的输入电压下，输出电压继续下降，MI仍处于线性模式。传输特性曲线如图示：1）VinVT0时，MI截止，Vout=VOH=VDD 2）Vin=VOH=VDD时，Vout=VOL MI：VGS=Vin=VDD VDS=Vout=VOL VDS1 为使 VOL0，要求 KNRL 1 3）Vin=VIL时,MI：VGS=Vin=VIL VDS=Vout VDSVGS-VT0 MI饱和导通 IR=(VDD-Vout)/RL IM=1/2 KN(VGS-VT0)2 =1/2 KN(Vin-VT0)2 IM=IR，对 Vin微分，得：-1/RL(dVout/dVin)=KN(Vin-VT0)dVout/dVin=-1 VIL=Vin=VT0+1/KNRL 此时 Vout=VDD-1/2KNRL 4）Vin=VIH时,MI：VGS=Vin=VIH VDS=Vout VDSVGSL-VTL ML始终饱和导通 Vout=VOH=VDD-VTL 2）Vin=VDD时，Vout=VOL MI：VGSI=Vin=VDD VDSI=Vout=VOL VDSI VGSI-VTI MI非饱和导通 IDSI=KNI(VGSI-VTI)VDSI-1/2VDSI2 =KNI(VDD-VTI)VOL-1/2VOL2 IDSL=1/2 KNL(VGSL-VTL)2 =1/2 KNL(VDD-VOL-VTL)2 IDSI=IDSL VOL=gmL(VDD-VTL)/2gmI 为使 VOL0，要求 gmL gmI 传输特性曲线如图示：13、试比较将 nMOS E/E反相器的负载管改为耗尽型nMOSFET 后，传输特性有哪些改善 【答案：】1）Vin=0，ME截止 MD：耗尽型负载管 VTD VGSD-VTD MD 始终饱和导通 Vout=VOH=VDD，改善了高电平传输特性 2）Vin=VDD，Vout=VOL ME：VGSE=Vin=VDD VDSE=Vout=VOL VDSEVGSE-VTE MI非饱和导通 IDSE=KNE(VGSE-VTE)VDSE-1/2VDSE2 =KNE(VDD-VTE)VOL-1/2VOL2 IDSD=1/2 KND(VGSD-VTD)2 =1/2 KNDVTD2 IDSI=IDSL VOL=VTD2 KND/2 KNE(VDD-VTE)低电平传输特性仍取决于两管尺寸之比 为使 VOL0，要求 KND VGSN-VTN MN 饱和导通 IDSN=1/2 KN(VGSN-VTN)2 =1/2KN(VIL-VTN)2 MP：-VGSP=VDD-Vin=VDD-VIL-VDSP=VDD-Vout-VDSP -VGSP(-VTP)MP非饱和导通 IDSP=KP(-VGSP-|VTP|)(-VDSP)-1/2(-VDSP)2 =KP(VDD-VIL-|VTP|)(VDD-Vout)-1/2(VDD-Vout)2 IDSN=IDSP，对 VIL微分，得：KP(VDD-VIL-|VTP|)(-dVout/dVin)+(-1)(VDD-Vout)-(VDD-Vout)(-dVout/dVin)=KN(VIL-VTN)dVout/dVin=-1 VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)其中 KR=KN/KP 2）Vin=VIH MN：VGSN=Vin=VIH VDSN=Vout VDSN -VGSP(-VTP)MP饱和导通 IDSP=1/2 KP(-VGSP-|VTP|)2 =1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)2 IDSN=IDSP，对 VIH微分，得：KN(VIH-VTN)(dVout/dVin)+Vout-Vout(dVout/dVin)=KP(VDD-VIH-|VTP|)dVout/dVin=-1 VIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN)/(1+KR)其中 KR=KN/KP 20.解：Vin=VM，NMOS、PMOS 均饱和导通 IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN-VTN)2=1/2KN(VM-VTN)2 IDSP=1/2PCOX(W/L)P(-VGSP-|VTP|)2 =1/2KP(VDD-VM-|VTP|)2 由 IDSN=IDSP得：VM=(VDD+VTP+VTN)/(1+)其中 KR=KN/KP 当工艺确定，VDD、VTN、VTP、N、P均确定 因而 VM取决于两管的尺寸之比WN/WP 18、根据 CMOS 反相器的传输特性曲线计算 VIL 和 VIH 【答案：】19、求解 CMOS 反相器的逻辑阈值，并说明它与哪些因素有关 【答案：】Vin=VM，NMOS、PMOS 均饱和导通 IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN-VTN)2=1/2KN(VM-VTN)2 IDSP=1/2PCOX(W/L)P(-VGSP-|VTP|)2 =1/2KP(VDD-VM-|VTP|)2 由 IDSN=IDSP得：VM=(VDD+VTP+VTN)/(1+)其中 KR=KN/KP 当工艺确定，VDD、VTN、VTP、N、P均确定 因而 VM取决于两管的尺寸之比WN/WP 20、为什么的 PMOS 尺寸通常比 NMOS 的尺寸大 【答案：】1）电子迁移率较大，是空穴迁移率的两倍，即 N=2P。2）根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系 VMWP/WN，在 VM较大的取值范围中，WPWN。21、考虑一个具有如下参数的CMOS 反相器电路：VDD=VTN=VTP=KN=200uA/V2 Kp=80uA/V2 计算电路的噪声容限。【答案：】KR=KN/KP=CMOS 反相器的 VOL=0V，VOH=VDD=VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=VIL时，有 1/2KN(VIL-VTN)2=KP(VDD-VIL-|VTP|)(VDD-Vout)-1/2(VDD-Vout)2 Vout2+Vout=0 解得：Vout=VIL=VIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN)/(1+KR)=Vout+Vin=VIH时，有 KN(VIH-VTN)Vout-1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)2+解得：Vout=VIH=VNML=VIL-VOL=VNMH=VOH-VIH=22、采用工艺的 CMOS 反相器，相关参数如下：VDD=NMOS：VTN=NCOX=60uA/V2(W/L)N=8 PMOS：VTP=pCOX=25uA/V2(W/L)P=12 求电路的噪声容限及逻辑阈值 【答案：】KR=NCOX(W/L)N/pCOX(W/L)P=对于 CMOS 反相器而言，VOL=0V，VOH=VDD=VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=当 Vin=VIL时，NMOS 饱和导通，PMOS 非饱和导通 由 IDSN=IDSP得：1/2KN(VIL-VTN)2=KP(VDD-VIL-|VTP|)(VDD-Vout)-1/2(VDD-Vout)2 Vout2+Vout=0 解得：Vout=VIL=同理，VIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN)/(1+KR)=Vout+当 Vin=VIH时，PMOS 饱和导通，NMOS 非饱和导通 由 IDSN=IDSP得：KN(VIH-VTN)Vout-1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)2+解得：Vout=VIH=该 CMOS 反相器的噪声容限：VNML=VIL-VOL=VNMH=VOH-VIH=23、设计一个 CMOS 反相器，NMOS：VTN=NCOX=60uA/V2 PMOS：VTP=PCOX=25uA/V2 电源电压为，LN=LP=1）求 VM=时的 WN/WP。2）此 CMOS 反相器制作工艺允许 VTN、VTP 的值在标称值有正负 15%的变化，假定其他参数仍为标称值，求VM 的上下限。【答案：】24、举例说明什么是有比反相器和无比反相器 【答案：】有比反相器在输出低电平时，驱动管和负载管同时导通，其输出低电平由驱动管导通电阻和负载管导通电阻的分压决定。为保持足够低的低电平，两个等效电阻应保持一定的比值。当驱动管为增强型N沟 MOSFET，负载管为电阻或增强型 MOSFET 或耗尽型 MOSFET 时，即 E/R 反相器、E/E 反相器、E/D 反相器属于有比反相器。而无比反相器在输出低电平时，只有驱动管导通，负载管是截止的，理想情况下，输出低电平为 0。当驱动管为增强型N 沟 MOSFET，负载管为 P 沟 MOSFET 时，即 CMOS 反相器即属于无比反相器，具有理想的输入低电平 0。25、以 CMOS 反相器为例，说明什么是静态功耗和动态功耗 【答案：】对于 CMOS 反相器，静态功耗是指当输入为 0 或 VDD时，NMOS 和 PMOS 总是一个导通、一个截止，没有从 VDD到 VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，功耗几乎为 0。26、在图中标注出上升时间tr、下降时间 tf、导通延迟时间、截止延迟时间，给出延迟时间tpd 的定义。若希望 tr=tf，求 WN/WP。【答案：】图中，导通延迟时间为 tPHL，截止延迟时间为 tPLH 延迟时间 tpd=(tPHL+tPLH)/2 上升时间 tr=2CL/KNVDD KN=NCOX(W/L)N 下降时间 tf=2CL/KPVDD KP=PCOX(W/L)P 若希望 tr=tf，则要求 WP=2WN GO TOP