4.MOS反相器解析
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MOS反相器
VDS ron = i DS
MOS反相器 反相器
2. MOS反相器 反相器
反相器是最基本的逻辑单元. 管构成反相器有四种类型: 反相器是最基本的逻辑单元.MOS管构成反相器有四种类型: 管构成反相器有四种类型 电阻负载MOS电路 ①电阻负载 电路 输入器件——增强型MOS管 ——增强型 输入器件——增强型 管 PEMOS导通电压小于零 导通电压小于零 负载—— ——电阻 负载——电阻 该电路在集成电路中很少用,在分离元件电路中常用. 该电路在集成电路中很少用,在分离元件电路中常用. PDMOS导通电压大于零 导通电压大于零 反相器: ②E/E MOS反相器:(Enhancement/Enhancement MOS) 反相器 / ) 输入器件——增强型 器件——增强型MOS管 输入器件——增强型 管 NEMOS导通电压大于零 导通电压大于零 负载——增强型MOS管 ——增强型 负载——增强型 管 反相器: ③E/D MOS反相器:(Enhancement/Depletion MOS) 反相器 /Depletion ) NDMOS导通电压小于零 导通电压小于零 输入器件——增强型 器件——增强型MOS管 输入器件——增强型 管 负载——耗尽型MOS管 ——耗尽型 负载——耗尽型 管 ④CMOS反相器(Complementary MOS) 反相器( ) 反相器 E/E MOS和E/D MOS均采用同一沟道的 均采用同一沟道的MOS管; 和 均采用同一沟道的 管 CMOS则采用不同沟道的 则采用不同沟道的MOS管构成反相器. 管构成反相器. 则采用不同沟道的 管构成反相器 输入器件——增强型 器件——增强型PMOS或增强型 或增强型NMOS 输入器件——增强型 或增强型 负载——增强型NMOS或增强型 负载——增强型 或增强型PMOS ——增强型 或增强型
《mos反相器》课件
阈值电压的数值越低，表示反相器对输入信号的灵敏度越高，即输入较小的电压变 化即可触发反相器的导通。
阈值电压的稳定性对反相器的性能影响较大，稳定性越高，反相器的性能越稳定。
驱动能力
驱动能力：指MOS反相器能够驱动的 最大负载电流。
驱动能力越强，表示反相器的负载能 力越强，能够驱动更多的电路元件。
驱动能力的大小决定了反相器在电路 中的负载能力，即能够驱动多少电流 。
金属-氧化物-半导体结构
由金属、氧化物和半导体材料组成，是MOS反相器的基本组成部 分。
半导体表面势垒
在半导体表面形成的势垒，控制着电流的流动。
电压控制特性
通过施加电压，可以控制半导体表面势垒的高低，从而控制电流的 流动。
MOS反相器的电压控制特性
正向偏置和反向偏置
线性区和饱和区
在MOS反相器中，输入和输出信号通 过电压的形式进行传输，正向偏置和 反向偏置是两种常见的电压状态。
02
它利用电压来控制半导体表面的 载流子分布，从而实现信号的放 大、开关和逻辑运算等功能。
MOS反相器的应用
在数字电路中，MOS反相器常被用 作逻辑门的基本单元，实现逻辑运算 和信号的逻辑处理。
在模拟电路中，MOS反相器可以用于 信号放大、开关和滤波等应用。
MOS反相器的基本结构
01
02
03
04
MOS反相器由输入级、中间 级和输出级三部分组成。
输入级通常是一个增强型或耗 尽型场效应管，用于接收输入 信号并控制中间级的电流。
中间级通常是一个共源放大器 ，用于放大输入信号并传递给
输出级。
输出级通常是一个推挽放大器 ，用于输出放大的信号并驱动
负载。
02
MOS反相器的工作原理
阈值电压的稳定性对反相器的性能影响较大，稳定性越高，反相器的性能越稳定。
驱动能力
驱动能力：指MOS反相器能够驱动的 最大负载电流。
驱动能力越强，表示反相器的负载能 力越强，能够驱动更多的电路元件。
驱动能力的大小决定了反相器在电路 中的负载能力，即能够驱动多少电流 。
金属-氧化物-半导体结构
由金属、氧化物和半导体材料组成，是MOS反相器的基本组成部 分。
半导体表面势垒
在半导体表面形成的势垒，控制着电流的流动。
电压控制特性
通过施加电压，可以控制半导体表面势垒的高低，从而控制电流的 流动。
MOS反相器的电压控制特性
正向偏置和反向偏置
线性区和饱和区
在MOS反相器中，输入和输出信号通 过电压的形式进行传输，正向偏置和 反向偏置是两种常见的电压状态。
02
它利用电压来控制半导体表面的 载流子分布，从而实现信号的放 大、开关和逻辑运算等功能。
MOS反相器的应用
在数字电路中，MOS反相器常被用 作逻辑门的基本单元，实现逻辑运算 和信号的逻辑处理。
在模拟电路中，MOS反相器可以用于 信号放大、开关和滤波等应用。
MOS反相器的基本结构
01
02
03
04
MOS反相器由输入级、中间 级和输出级三部分组成。
输入级通常是一个增强型或耗 尽型场效应管，用于接收输入 信号并控制中间级的电流。
中间级通常是一个共源放大器 ，用于放大输入信号并传递给
输出级。
输出级通常是一个推挽放大器 ，用于输出放大的信号并驱动
负载。
02
MOS反相器的工作原理
反相器电路
•
(3)CD段：Ui进一步增大且满足 UO+|UTHP|≤Ui≤UO+UTHN 时，两管的栅去和漏区都处于预夹断状态，NMOS和PMOS管同时恒流导通，输出 电阻很大，此时反相器相当于一个有源负载电路很大的反响放大器，增益极 大，随着Ui增大，UO急剧下降传输特性的斜率很大，接近与垂直线(反相器的 阀值电压UiT)此时的N管和P管电流相等根据电流方程
反相器电路
反相器的直流特性
CMOS与MOSFET
• CMOS反相器相当与非 门，是数字集成电路 最基本的单元电路， 了解CMOS反相器先从 ,MOS场效应管 (MOSFET)说起 • 常用的MOS管符号如 下图所示
NMOS管简介
• 如右图，该器件制作在P型 衬底上，两个重掺杂N区 形成源区和漏区，重掺杂 多晶硅区作为栅极，一层 薄SiO2绝缘层作为栅极和 衬底的隔离。 • NMOS管的有效作用就发 生在栅氧下的衬底表面— —导电沟道上。
随着Ui由大变小， 反向器的工作状态 可分为5个阶段，如 左图
• (1)AB段：0<Ui<UTHN，IDN=0,N管截止P管非恒流导通有 • UO=UH=UDD
• (2)BC段：UTHN<Ui<UO+|UTHP| • 即N管饱和导通，P管非饱和导通其输出电阻很小，反相器 相当于一个增益很小的放大器，随着Ui增大UO但减小很慢 中间某一点的增益为-1.
CMOS反相器
• 下图给出了一些反相 器电路
• (a)为电阻负载反相器，集成电路中一般不被采用； • (b)为增强型NMOS做负载的反相器，（称之为E/E电路），为使负载管 导通，其栅极接UDD,V2管相当于共栅组态，等效负载电阻很小，增益 很小，而且为保证沟道与衬底隔离衬底要接到全电路的最低点，因此 V2管存在背栅效应，此电路当Ui=0时,V1管截止，输出高电平,电路当 Ui=1时,V1管导通，输出低电平； • (c)所示电路用耗尽型NMOS做负载管，（称之为E/D电路）其栅源极之 间短路，UGS2=0等效负载为rds2,阻值较大，增益较大，而且V2也存 在背栅效应； • (d)所示电路为CMOS反相器，P管衬底接UDD，N管衬底接地，栅极与各 自的源级相连，消除了背栅效应，而且P管N管轮流导通截止，输出的 不是0就是UDD.
MOS反相器的分类及构成
Review: Short Channel I-V Plot (NMOS)
2.5 2
X 10-4
VGS = 2.5V
ID (A)
1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5
VGS = 2.0V VGS = 1.5V VGS = 1.0V
2
2.5
VDS (V)
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
Vo Vi Vtn (Vi Vtn )
2
Kp Kn
V V
i
tp
Vdd
2
Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时：N管线性，P管截止，则Vo=0 。
CMOS反相器的电路构成，是由一个增强型 n沟MOS管作为输入管和由一个增强型p沟MOS管 作为负载管，且两栅极短接作为输入端，两漏极 短接作为输出端，N管源极接地，P管源极接电源 电压VDD，这就构成了两管功能上的互补。
一、CMOS反相器的工作原理
Vi为VOL时，MN截止，MP非饱和 -Kp [2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) – (VOH-VDD ) 2] = 0 VOH = VDD Vi为VOH时，MN非饱和，MP截止 Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2] =0 VOL=0 无比电路
7.3 CMOS反相器
所谓CMOS (Complementary MOS)，是在 集成电路设计中，同时采用两种MOS器件： NMOS和PMOS。CMOS电路及其技术已成为当 今集成电路，尤其是大规模电路、超大规模集成 电路的主流技术。CMOS结构的主要优点是电路 的静态功耗非常小，电路结构简单、规则，使得 它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路
2.5 2
X 10-4
VGS = 2.5V
ID (A)
1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5
VGS = 2.0V VGS = 1.5V VGS = 1.0V
2
2.5
VDS (V)
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
Vo Vi Vtn (Vi Vtn )
2
Kp Kn
V V
i
tp
Vdd
2
Vdd+Vtp<Vi≤Vdd时：N管线性，P管截止，则Vo=0 。
CMOS反相器的电路构成，是由一个增强型 n沟MOS管作为输入管和由一个增强型p沟MOS管 作为负载管，且两栅极短接作为输入端，两漏极 短接作为输出端，N管源极接地，P管源极接电源 电压VDD，这就构成了两管功能上的互补。
一、CMOS反相器的工作原理
Vi为VOL时，MN截止，MP非饱和 -Kp [2(VOL- VDD -VTP) (VOH-VDD ) – (VOH-VDD ) 2] = 0 VOH = VDD Vi为VOH时，MN非饱和，MP截止 Kn[2(VOH-VTN)VOL-VOL2] =0 VOL=0 无比电路
7.3 CMOS反相器
所谓CMOS (Complementary MOS)，是在 集成电路设计中，同时采用两种MOS器件： NMOS和PMOS。CMOS电路及其技术已成为当 今集成电路，尤其是大规模电路、超大规模集成 电路的主流技术。CMOS结构的主要优点是电路 的静态功耗非常小，电路结构简单、规则，使得 它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路
MOS反相器的分类及构成PPT课件
其中： R =
KE KL
=
(W/L)E (W/L)L
有比电路
.
10
1. 结构和自举原理(续)
VDD
自举过程：
MB
VGL
ML
Vi 变为VOL ,ME截止,Vo上升， VGL随Vo上升(电容自举)， MB截止,ML逐渐由饱和进入
CB Vo 非饱和导通，上升速度加快。
Vi
自举结果：
ME
tr缩短，VOH可达到VDD。
VOL
.
0 VILVIH V5 i
7.1.2 E/E饱和负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理
VDD
Vi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和
VOH=VDDVTL
ML Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和
KL(VDD-VOL-VTL)2=
Vo
KI[2(VOH-VTI)VO-VO2]
Vi MI
VOL
VTD 2 2R(VOHVTE)
其中：R =
KE KD
=
(W/L)E (W/L)L
有比电路（近似于无比电路）
.
16
2. E/D NMOS反相器单元特点
VDD MD
Vi
Vo ME
(1)VOH可达到电源电压VDD (2)VOL与R有关，但是VTD是 关键的因素，近似于无比电路。 (3)上升过程由于负载管由饱和 逐渐进入非饱和， tr缩短，速 度快。
.
Байду номын сангаас
22
7.3.1 CMOS反相器的直流特性
CMOS反相器是CMOS门电路中最基本的逻 辑部件，大多数的逻辑门电路均可通过等效反相 器进行基本设计，再通过适当的变换，完成最终 的逻辑门电路中具体晶体管尺寸的计算。所以， 基本反相器的设计是逻辑部件设计的基础。
第5章MOS反相器(半导体集成电路共14章)讲解
2018/10/12
三、 E/E MOS反相 器
介绍饱和MOS负载反相器
只要开通，则工作在饱和区
n
out in n
Vds=Vgs>Vgs-Vth
VIN 0 驱动管截止 OH
V
VDD V = VV -V THL
OUT DD
THL
I DSL
I DSI nCox
2018/10/12
IN DD
当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时 负载管关断
2
2
GSL
THL
n
ox
L
DD
OUT
THL
E/E MOS反相器电压传输特性
Vout VDD-VT
n
Vin Vout n
gmL/gmI减小
Vin
VIN
2018/10/12
三、 E/D MOS反相 器
采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态 n MD out
R
输入
负载
输出
在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大
驱动
OUTPUT
MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同 而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K 欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶 硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米 的话，线长需为2mm。
INPUT
占面积很大，因此通常 用MOS管做负载
=V VOH V VDD
OUT
VIN 0 驱动管截止 VIN VDD
n ox D
DD
in
n
ME
I DSD
I DSE nCox (
W 1 2 2 ) E [(VGSE VTE )VDS VDS ] C ( ) [( V V ) V V ] n ox I DD TE OUT OUT W L 2 C ( ) L 2 n ox E 有比电路
第5章MOS反相器讲解
填空题解答题请给出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1、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Vgs<Vth时MOS器件仍然有一个弱的反型层存在，漏源电流Id并非是无限小，而是与Vgs呈现指数关系，这种效应称作亚阈值效应。
影响：亚阈值导电会导致较大的功率损耗，在大型电路中，如内存中，其信息能量损耗可能使存储信息改变，使电路不能正常工作。
3、M OS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响【答案：】短沟道效应是指：当MOS晶体管的沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应，栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，产生耗尽区电荷共享，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少的现象影响：由于受栅控制的耗尽区电荷不断减少，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低；沟道变短使得器件很容易发生载流子速度饱和效应。
4、请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响【答案：】对于PMOS晶体管，通常情况下衬底和源极都接最高电位，衬底偏压，此时不存在衬偏效应。
而当PMOS中因各种应用使得源端电位达不到最高电位时，衬底偏压>0，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。
13级半导体集成电路A卷及答案
13级【半导体集成电路】 A卷试题及答案解析题目/张华斌答案/王嘉达一、填空题（共30分，每空格1分）1.通常含以上的四端口器件，对于CMOS器件而言主要指V IN极、V OUT极、V DD极和V SS极。
【P28-图3.8】2.3.上制造p阱。
4.在PCB5.MOS反相器是MOS数字电路的基本单元，它可以分为静态反相器和动态反相器。
按负载元件和驱动元件之间的连线。
【P62-4.3.1 4.3.2 4.3.3】7.漏、电荷共享（电荷共享）、时间馈通和体效应等问题。
8.应，如寄生晶体管效应、寄生电容效应等。
【P9-正文第四行】9.CMOS反相器的功耗有静态功耗和动态功耗组成。
【P112】10.两极CMOS运算放大器中，为了保证系统稳定一般采用Miller电容作频率补偿，但由于该电容的加入，又会带来零点，这就要求对电路进行进一步的改进，改进方法有消除CC向前耦合的补偿方案和消除术。
二、选择题（共5题，每小题3分，共15分）1.判断一个MOS管是否导通的关键是（D ）与阈值电压作比较。
【P66】A 漏源电压B 栅源电压C 衬底与源间电压D 栅漏电压n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS 管。
n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。
2.某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平V OL（MAX）=0.1V，最小输出高电平V OH（MIN）=4.5V，最小输入低电平V IN（MIN）=1.5V，最小输入高电平V IH（MIN）=3.5V，则其低电平噪声容限V NL=（A ）VA 1.4B 1.0C 3.0D 1.2低电平：V NML=|V IL，max-V OL，max| 高电平：V NMH=|V OH，min-V IH，min|3.在数字信号的传输过程中需要传输门单元电路来实现，在传输门传输信号的过程中无阈值电压损失的是（C ）A pMOS传输门B nMOS传输门C CMOS传输门D 都不是【P131-图7.8（C）】4.集成电阻器和电容器的高精度，主要有（C ）所决定。
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VOL:输出电平为逻辑”0”时的最小输出电压 VIL:仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压
VOL
VIH:仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压 dVout 1 dVin VM（逻辑阈值）:输入等于输出
VIL VM VIH Vin
电压传输特性
2018/10/12
VOH
VOL
最大允许 电压 VIL
2018/10/12
CMOS反相器的传输特性
VDD (3) (1) (2)
-VGS=VDD-Vin
(4)
(5)
-VDS=VDD-Vout
Vin Vout
VGS=Vin
NMOS Vin<Vtn Vin-Vtn<Vout Vin-Vtn>Vout
VDS=Vout
0 Vtn
Vout
N截止 N饱和 N非饱 N非饱 P非饱 P非饱 和 和 和 和 P饱和 P截止
ox
L
DD
OUT
THL
E/E MOS反相器电压传输特性
Vout VDD-VT
n
Vin Vout n
gmL/gmI减小
Vin
VIN
2018/10/12
三、 E/D MOS反相 器
采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态 n MD out
=V VOH V VDD
OUT
VIN 0 驱动管截止 VIN VDD
VDD
n out
in
n
KR增大
2018/10/12
四、 CMOS反相 器
由PMOS和NMOS 所组成的互补型电路叫做
CMOS
Vin Vout
C：complementary
已成为目前数字集 成电路的主流
2018/10/12
CMOS反相器工作原理
当输入电压Vin为高电平时，PMOS 截止，NMOS导通，Vout=0
Vin Vout
VOL=0
当输入电压Vin为低电平时，PMOS 导通，NM在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止 一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电 流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是 CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点 之一是低功耗。
g 1 mL V V 驱动管非饱和导通 ,负载管饱和导通 V ( V V ) OL DD THL W 1 W (V V ) 2 g mI C ( ) (V V V ) L 2 L
IN DD
当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时 负载管关断
2
2
GSL
THL
n
驱动
OUTPUT
MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同 而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K 欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶 硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米 的话，线长需为2mm。
INPUT
占面积很大，因此通 常用MOS管做负载
2018/10/12
三、 E/E MOS反相 器
N管截止
VDD
VDD
负载
RL VOUT=VDS
RL VOUT
VIN=VGS
驱动管
VOUT=VDD
2018/10/12
2. VIN=VOH≈VDD时
N管导通,可将MOS等效为可变电阻RMOS
VDD RL VDD RL
VOUT=VDS
VIN=VGS
IR
VOUT VOUT
RMOS VDD RMOS RL
介绍饱和MOS负载反相器
只要开通，则工作在饱和区
n
out in n
Vds=Vgs>Vgs-Vth
VIN 0 驱动管截止 OH
V
VDD V = VV -V THL
OUT DD
THL
I DSL
I DSI nCox
2018/10/12
1 nCox 2 有比电路
W 1 W 1 2 2 [(VGSI VTHI 为使 )VDS V ] C ( ) [( V V ) V V DS n ox I DD THI OUT OUT ] V 接近 0 ，要求 g <<g OL mL mI L 2 L 2
最小允许 电压 VOH VIH VOL
噪声
噪声
2018/10/12
"1"
高噪声容限
VIH
VNMH
VOH
不定区
VIL VNML VOL "0" Gate Input
低噪声容限
Gate Output
VNML=VIL-VOL VNMH=VOH-VIH
2018/10/12
二、电阻负载型反相 器
1. VIN=VOL≈0V时
n ox D
DD
in
n
ME
I DSD
I DSE nCox (
W 1 2 2 ) E [(VGSE VTE )VDS VDS ] C ( ) [( V V ) V V ] n ox E DD TE OUT OUT W L 2 C ( ) L 2 n ox E 有比电路
集成电路CAD
第4章 MOS反相器
MOS反相器的基本概念及静态特性 电阻型反相器 E/E MOS反相器 E/D MOS反相器 CMOS反相器 工作原理 CMOS反相器的静态特性 CMOS反相器的瞬态特性 MOS反相器的设计 三态反相器
2018/10/12
一、MOS反相器的基本概念及静态特性
RMOS
若RL>>RMOS则VOUT ≈0
2018/10/12
电阻负载型反相器电压传输特性
VOUT VDD RL VOUT VIN
RL增大
VIN
2018/10/12
关于负载电阻的讨论
为了使反相器的传输特性好
在驱动管开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻足够小
R
输入
负载
输出
在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大
V TD 1 1 W W V OL C ( ) (V V ) C ( ) 2 L 2 K (V 2V ) L R DD TE 1 W
2 GSD TD n ox
2 驱动管非饱和导通 ,负载管饱和导通
D VTD 2
KR
2018/10/12
L W nCox ( ) D L
E/D MOS反相器电压传输特性
1.MOS反相器基本概念
INPUT OUTPUT
0 1
1 0
OUTPUT
INPUT
OUTPUT
INPUT 3.3V 3.3V 电流 输出= 3.3v 输入=0v 输入=3.3v 输出= 0v
2018/10/12
Vout VOH
dVout 1 dVin
Vout=Vin
VOH:输出电平为逻辑”1”时的最大输出电压
VOL
VIH:仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压 dVout 1 dVin VM（逻辑阈值）:输入等于输出
VIL VM VIH Vin
电压传输特性
2018/10/12
VOH
VOL
最大允许 电压 VIL
2018/10/12
CMOS反相器的传输特性
VDD (3) (1) (2)
-VGS=VDD-Vin
(4)
(5)
-VDS=VDD-Vout
Vin Vout
VGS=Vin
NMOS Vin<Vtn Vin-Vtn<Vout Vin-Vtn>Vout
VDS=Vout
0 Vtn
Vout
N截止 N饱和 N非饱 N非饱 P非饱 P非饱 和 和 和 和 P饱和 P截止
ox
L
DD
OUT
THL
E/E MOS反相器电压传输特性
Vout VDD-VT
n
Vin Vout n
gmL/gmI减小
Vin
VIN
2018/10/12
三、 E/D MOS反相 器
采用耗尽型，VGS=0时,一直工作处于导通状态 n MD out
=V VOH V VDD
OUT
VIN 0 驱动管截止 VIN VDD
VDD
n out
in
n
KR增大
2018/10/12
四、 CMOS反相 器
由PMOS和NMOS 所组成的互补型电路叫做
CMOS
Vin Vout
C：complementary
已成为目前数字集 成电路的主流
2018/10/12
CMOS反相器工作原理
当输入电压Vin为高电平时，PMOS 截止，NMOS导通，Vout=0
Vin Vout
VOL=0
当输入电压Vin为低电平时，PMOS 导通，NM在输入为0或1（VDD)时，两个MOS管中总是一个截止 一个导通，因此没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电 流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。这是 CMOS电路低功耗的主要原因。CMOS电路的最大特点 之一是低功耗。
g 1 mL V V 驱动管非饱和导通 ,负载管饱和导通 V ( V V ) OL DD THL W 1 W (V V ) 2 g mI C ( ) (V V V ) L 2 L
IN DD
当VGS=VDD-(VDD-VTHL)=VTHL时 负载管关断
2
2
GSL
THL
n
驱动
OUTPUT
MOS晶体管的导通电阻随管子的尺寸不同 而不同，通常在K欧数量级，假设它为3K 欧，负载电阻取它的10倍为30K欧，用多晶 硅作负载电阻时，如多晶硅的线宽为2微米 的话，线长需为2mm。
INPUT
占面积很大，因此通 常用MOS管做负载
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三、 E/E MOS反相 器
N管截止
VDD
VDD
负载
RL VOUT=VDS
RL VOUT
VIN=VGS
驱动管
VOUT=VDD
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2. VIN=VOH≈VDD时
N管导通,可将MOS等效为可变电阻RMOS
VDD RL VDD RL
VOUT=VDS
VIN=VGS
IR
VOUT VOUT
RMOS VDD RMOS RL
介绍饱和MOS负载反相器
只要开通，则工作在饱和区
n
out in n
Vds=Vgs>Vgs-Vth
VIN 0 驱动管截止 OH
V
VDD V = VV -V THL
OUT DD
THL
I DSL
I DSI nCox
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1 nCox 2 有比电路
W 1 W 1 2 2 [(VGSI VTHI 为使 )VDS V ] C ( ) [( V V ) V V DS n ox I DD THI OUT OUT ] V 接近 0 ，要求 g <<g OL mL mI L 2 L 2
最小允许 电压 VOH VIH VOL
噪声
噪声
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"1"
高噪声容限
VIH
VNMH
VOH
不定区
VIL VNML VOL "0" Gate Input
低噪声容限
Gate Output
VNML=VIL-VOL VNMH=VOH-VIH
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二、电阻负载型反相 器
1. VIN=VOL≈0V时
n ox D
DD
in
n
ME
I DSD
I DSE nCox (
W 1 2 2 ) E [(VGSE VTE )VDS VDS ] C ( ) [( V V ) V V ] n ox E DD TE OUT OUT W L 2 C ( ) L 2 n ox E 有比电路
集成电路CAD
第4章 MOS反相器
MOS反相器的基本概念及静态特性 电阻型反相器 E/E MOS反相器 E/D MOS反相器 CMOS反相器 工作原理 CMOS反相器的静态特性 CMOS反相器的瞬态特性 MOS反相器的设计 三态反相器
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一、MOS反相器的基本概念及静态特性
RMOS
若RL>>RMOS则VOUT ≈0
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电阻负载型反相器电压传输特性
VOUT VDD RL VOUT VIN
RL增大
VIN
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关于负载电阻的讨论
为了使反相器的传输特性好
在驱动管开关断开时，负载电阻相对于开关的电阻足够小
R
输入
负载
输出
在驱动管开关闭合时，负载电阻相对于开关的电阻足够大
V TD 1 1 W W V OL C ( ) (V V ) C ( ) 2 L 2 K (V 2V ) L R DD TE 1 W
2 GSD TD n ox
2 驱动管非饱和导通 ,负载管饱和导通
D VTD 2
KR
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L W nCox ( ) D L
E/D MOS反相器电压传输特性
1.MOS反相器基本概念
INPUT OUTPUT
0 1
1 0
OUTPUT
INPUT
OUTPUT
INPUT 3.3V 3.3V 电流 输出= 3.3v 输入=0v 输入=3.3v 输出= 0v
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Vout VOH
dVout 1 dVin
Vout=Vin
VOH:输出电平为逻辑”1”时的最大输出电压