第5章MOS反相器

1、填空題解答題1、請給出NMOS晶體管的閾值電壓公式，并解釋各項(xiàng)的物理含義及其對閾值大小的影響（即各項(xiàng)在不同情況下是提高閾值還是降低閾值）?！敬鸢福骸?、什么是器件的亞閾值特性，對器件有什么影響【答案：】器件的亞閾值特性是指在分析MOSFET時，當(dāng)Vgs0，源與襯底的PN結(jié)反偏，耗盡層電荷增加，要維持原來的導(dǎo)電水平，必須使閾值電壓（絕對值）提高，即產(chǎn)生襯偏效應(yīng)。 影響：使得PMOS閾值電壓向負(fù)方向變大，在同樣的柵源電壓和漏源電壓下其漏源電流減小。5、什么是溝道長度調(diào)制效應(yīng)，對器件有什么影響【答案：】MOS晶體管存在速度飽和效應(yīng)。器件工作時，當(dāng)漏源電壓增大時，實(shí)際的反型層溝道長度逐漸減小，即溝道長

2、度是漏源電壓的函數(shù)，這一效應(yīng)稱為“溝道長度調(diào)制效應(yīng)”。 影響：當(dāng)漏源電壓增加時，速度飽和點(diǎn)在從漏端向源端移動，使得漏源電流隨漏源電壓增加而增加，即飽和區(qū)D和S之間電流源非理想。6、為什么MOS晶體管會存在飽和區(qū)和非飽和區(qū)之分（不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)）【答案：】晶體管開通后，其漏源電流隨著漏源電壓而變化。當(dāng)漏源電壓很小時，隨著漏源電壓的值的增大，溝道內(nèi)電場強(qiáng)度增加，電流隨之增大，呈現(xiàn)非飽和特性；而當(dāng)漏源電壓超過一定值時，由于載流子速度飽和（短溝道）或者溝道夾斷（長溝道），其漏源電流基本不隨漏源電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生飽和特性。7、給出E/R反相器的電路結(jié)構(gòu)，分析其工作原理及傳輸特性，并計(jì)算VTC曲線上的臨

3、界電壓值【答案：】VinVT0時，MI處于截止?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生任何漏極電流。隨著輸入電壓增加而超過VT0時，MI開始導(dǎo)通，漏極電流不再為0，由于漏源電壓VDS=Vout大于Vin- VT0，因而MI初始處于飽和狀態(tài)。隨著輸入電壓增加，漏極電流也在增加，輸出電壓Vout開始下降，最終，輸入電壓大于Vout+ VT0，MI進(jìn)入線性工作區(qū)。在更大的輸入電壓下，輸出電壓繼續(xù)下降，MI仍處于線性模式。傳輸特性曲線如圖示：1）VinVT0時，MI截止，Vout= VOH= VDD 2）Vin= VOH=VDD時，Vout=VOLMI：VGS=Vin=VDDVDS=Vout=VOLVDS1為使VOL0，要求KN

4、RL 13）Vin=VIL時, MI：VGS=Vin=VILVDS=VoutVDSVGS-VT0MI飽和導(dǎo)通 IR=(VDD-Vout)/RLIM=1/2 KN(VGS- VT0)2 =1/2 KN(Vin- VT0)2 IM=IR，對Vin微分，得： -1/RL(dVout/dVin)= KN(Vin- VT0)dVout/dVin=-1VIL=Vin=VT0+1/KNRL此時Vout=VDD-1/2KNRL4）Vin=VIH時, MI：VGS=Vin=VIHVDS=VoutVDSVGSL-VTLML始終飽和導(dǎo)通Vout= VOH= VDD-VTL2）Vin= VDD時，Vout=VOLMI

5、：VGSI=Vin=VDDVDSI=Vout=VOLVDSI VGSI-VTIMI非飽和導(dǎo)通IDSI= KNI(VGSI- VTI)VDSI- 1/2VDSI2 = KNI(VDD- VTI) VOL- 1/2VOL2IDSL=1/2 KNL(VGSL- VTL)2=1/2 KNL(VDD- VOL-VTL)2IDSI= IDSLVOL=gmL(VDD- VTL)/2gmI為使VOL0，要求gmL gmI傳輸特性曲線如圖示：13、試比較將nMOS E /E反相器的負(fù)載管改為耗盡型nMOSFET后，傳輸特性有哪些改善【答案：】1）Vin=0，ME截止MD：耗盡型負(fù)載管VTD VGSD- VTDM

6、D始終飽和導(dǎo)通Vout= VOH= VDD，改善了高電平傳輸特性2）Vin= VDD，Vout= VOLME：VGSE=Vin=VDDVDSE=Vout=VOLVDSEVGSE-VTEMI非飽和導(dǎo)通IDSE= KNE(VGSE- VTE)VDSE- 1/2VDSE2 =KNE(VDD- VTE) VOL- 1/2VOL2IDSD=1/2 KND(VGSD- VTD)2=1/2 KNDVTD2IDSI= IDSLVOL= VTD2KND/2 KNE(VDD- VTE) 低電平傳輸特性仍取決于兩管尺寸之比為使VOL0，要求KNDVGSN- VTNMN飽和導(dǎo)通IDSN=1/2 KN(VGSN- VT

7、N)2=1/2KN(VIL- VTN)2MP：- VGSP= VDD- Vin= VDD- VIL- VDSP= VDD- Vout- VDSP - VGSP(-VTP)MP非飽和導(dǎo)通IDSP= KP(-VGSP- |VTP|)( -VDSP)- 1/2(-VDSP)2 =KP(VDD- VIL-|VTP|)( VDD- Vout) - 1/2( VDD- Vout)2IDSN= IDSP，對VIL微分，得：KP(VDD- VIL-|VTP|)(-dVout/dVin)+(-1) ( VDD- Vout)- ( VDD- Vout) (-dVout/dVin)=KN(VIL-VTN)dVout

8、/dVin=-1VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR) 其中KR=KN/KP2）Vin= VIHMN：VGSN= Vin= VIHVDSN= VoutVDSN - VGSP(-VTP)MP飽和導(dǎo)通IDSP=1/2 KP(-VGSP- |VTP|)2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)2IDSN= IDSP，對VIH微分，得：KN(VIH-VTN) (dVout/dVin)+Vout-Vout(dVout/dVin)=KP(VDD-VIH-|VTP|)dVout/dVin=-1VIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN) /(1+KR) 其中KR=KN/KP

9、20. 解：Vin=VM，NMOS、PMOS均飽和導(dǎo)通IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN- VTN)2=1/2KN(VM- VTN)2IDSP=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當(dāng)工藝確定，VDD、VTN、VTP、N、P均確定 因而VM取決于兩管的尺寸之比WN/WP18、根據(jù)CMOS反相器的傳輸特性曲線計(jì)算VIL和VIH【答案：】19、求解CMOS反相器的邏輯閾值，并說明它與哪些因素有關(guān)【答案：】Vin=VM，NMOS、PMOS

10、均飽和導(dǎo)通IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN- VTN)2=1/2KN(VM- VTN)2IDSP=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當(dāng)工藝確定，VDD、VTN、VTP、N、P均確定 因而VM取決于兩管的尺寸之比WN/WP20、為什么的PMOS尺寸通常比NMOS的尺寸大【答案：】1）電子遷移率較大，是空穴遷移率的兩倍，即N=2P。2）根據(jù)邏輯閾值與晶體管尺寸的關(guān)系VMWP/WN，在VM較大的取值范圍中，WPWN。21、考慮一個具

11、有如下參數(shù)的CMOS反相器電路： VDD=3.3V VTN=0.6V VTP=-0.7V KN =200uA/V2 Kp=80uA/V2 計(jì)算電路的噪聲容限?！敬鸢福骸縆R=KN/KP=2.5CMOS反相器的VOL=0V，VOH=VDD=3.3V VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=0.57Vout-0.71Vin= VIL時，有1/2KN(VIL- VTN)2=KP(VDD- VIL-|VTP|)( VDD- Vout) - 1/2( VDD- Vout)20.66 Vout2+0.05 Vout-6.65=0解得：Vout=3.14V VIL=1.08VVIH

12、=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN) /(1+KR)=1.43 Vout+1.17Vin= VIH時，有KN(VIH- VTN) Vout- 1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)22.61Vout2+6.94Vout-2.04=0解得：Vout=0.27V VIH=1.55VVNML=VIL-VOL=1.08VVNMH=VOH-VIH=1.75V22、采用0.35um工藝的CMOS反相器，相關(guān)參數(shù)如下：VDD=3.3V NMOS：VTN=0.6V NCOX =60uA/V2 (W/L)N=8 PMOS：VTP=-0.7V pCOX =25uA/V2 (W/L)P

13、=12 求電路的噪聲容限及邏輯閾值【答案：】KR= NCOX(W/L)N/pCOX(W/L)P=1.6對于CMOS反相器而言，VOL=0V，VOH=VDD=3.3VVIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=0.77Vout-1.17當(dāng)Vin= VIL時，NMOS飽和導(dǎo)通，PMOS非飽和導(dǎo)通由IDSN= IDSP得：1/2KN(VIL- VTN)2=KP(VDD- VIL-|VTP|)( VDD- Vout) - 1/2( VDD- Vout)22.04 Vout2+8.30 Vout-44.90=0解得：Vout=3.077V VIL=1.2V同理，VIH=VDD+VT

14、P+KR(2Vout+VTN) /(1+KR)=1.23 Vout+1.37當(dāng)Vin= VIH時，PMOS飽和導(dǎo)通，NMOS非飽和導(dǎo)通由IDSN= IDSP得：KN(VIH- VTN) Vout- 1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)25.53Vout2+24.62Vout-6.15=0解得：Vout=0.24V VIH=1.66V該CMOS反相器的噪聲容限：VNML=VIL-VOL=1.2V VNMH=VOH-VIH=1.64V23、設(shè)計(jì)一個CMOS反相器， NMOS：VTN=0.6V NCOX=60uA/V2 PMOS：VTP=-0.7V PCOX=25uA/V2

15、電源電壓為3.3V，LN=LP=0.8um 1）求VM=1.4V 時的WN/WP。 2）此CMOS反相器制作工藝允許VTN 、VTP的值在標(biāo)稱值有正負(fù)15%的變化，假定其他參數(shù)仍為標(biāo)稱值，求VM的上下限?！敬鸢福骸?4、舉例說明什么是有比反相器和無比反相器【答案：】有比反相器在輸出低電平時，驅(qū)動管和負(fù)載管同時導(dǎo)通，其輸出低電平由驅(qū)動管導(dǎo)通電阻和負(fù)載管導(dǎo)通電阻的分壓決定。為保持足夠低的低電平，兩個等效電阻應(yīng)保持一定的比值。當(dāng)驅(qū)動管為增強(qiáng)型N溝MOSFET，負(fù)載管為電阻或增強(qiáng)型MOSFET或耗盡型MOSFET時，即E/R反相器、E/E反相器、E/D反相器屬于有比反相器。而無比反相器在輸出低電平時，只有驅(qū)動管導(dǎo)通，負(fù)載管是截止的，理想情況下，輸出低電平為0。當(dāng)驅(qū)動管為增強(qiáng)型N溝MOSFET，負(fù)載管為P溝MOSFET時，即CMOS反相器即屬于無比反相器，具有理想的輸入低電平0。25、以CMOS反相器為例，說明什么是靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗【答案：】對于CMOS反相器，靜態(tài)功耗是指當(dāng)輸入為0或VDD時，NMOS 和PMOS總是一