第5章MOS反相器概要

1、填空題 解答題請(qǐng)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(duì)閾值大小的影響（即各項(xiàng)在不同情1、 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(duì)器件有什么影響【答案：】器件的亞閾值特性是指在分析 MOSFET 時(shí)，當(dāng) Vgs<Vth 時(shí) MOS 器件仍然有一個(gè)弱的反型層存在， 漏源電流 Id 并非是無(wú)限小，而是與 Vgs 呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，這種效應(yīng)稱(chēng)作亞閾值效應(yīng)。影響：亞閾值導(dǎo)電會(huì)導(dǎo)致較大的功率損耗，在大型電路中，如內(nèi)存中，其信息能量損耗可能使存 儲(chǔ)信息改變，使電路不能正常工作。3、MOS晶體管的短溝道效應(yīng)是指什么，其對(duì)晶體管有什么影響【答案：】短溝道

2、效應(yīng)是指：當(dāng) MOS 晶體管的溝道長(zhǎng)度變短到可以與源漏的耗盡層寬度相比擬時(shí)，發(fā)生短溝道效應(yīng)，柵下耗盡區(qū)電荷不再完全受柵控制，其中有一部分受源、漏控制，產(chǎn)生耗盡區(qū)電荷共享，并且 隨著溝道長(zhǎng)度的減小，受柵控制的耗盡區(qū)電荷不斷減少的現(xiàn)象影響： 由于受柵控制的耗盡區(qū)電荷不斷減少， 只需要較少的柵電荷就可以達(dá)到反型， 使閾值電壓 降低；溝道變短使得器件很容易發(fā)生載流子速度飽和效應(yīng)。4、請(qǐng)以 PMOS晶體管為例解釋什么是襯偏效應(yīng)，并解釋其對(duì)PMOS晶體管閾值電壓和漏源電流的影響【答案：】對(duì)于 PMOS 晶體管，通常情況下襯底和源極都接最高電位，襯底偏壓 ，此時(shí)不存在襯偏效應(yīng)。而當(dāng)PMOS 中因各種應(yīng)用使得

3、源端電位達(dá)不到最高電位時(shí)，襯底偏壓 >0 ，源與襯底的 PN 結(jié)反偏，耗盡 層電荷增加，要維持原來(lái)的導(dǎo)電水平，必須使閾值電壓（絕對(duì)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(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，對(duì)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(shí)，當(dāng)漏源電壓增大時(shí)，實(shí)際的反型層溝道長(zhǎng)度逐漸減小， 即溝道長(zhǎng)度是漏源電壓的函數(shù)，這一效應(yīng)稱(chēng)為 “溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) ”。影響：當(dāng)漏源電壓增加時(shí)，速度飽和點(diǎn)在從漏端向源端移動(dòng)，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

4、什么 MOS晶體管會(huì)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(kāi)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(shí)，隨著漏源電壓的值的增大，溝道內(nèi)電場(chǎng)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(guò)一定值時(shí)，由于載流子速度VTC曲線上的臨界電壓值飽和（短溝道）或者溝道夾斷（長(zhǎng)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【答案：】Vin<V T0 時(shí)，M I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(guò) VT0 時(shí)，MI 開(kāi)始導(dǎo)通，漏極電流不再為 0 ，由于漏源電壓

5、 VDS=V out 大于 Vin- V T0，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(kāi)始下降，最終，輸入電壓大于 Vout+ V T0，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：2 ) Vin= V OH =V DD 時(shí)， Vout =V OLMI：VGS=V in=V DDVDS=V out =V OLVDS<V GS-V T0MI 非飽和導(dǎo)通I R=(V DD-V out )/R L=(V DD-V OL)/R LI M=K N (V GS- V T0 )V DS- 1/2V

6、 DS2 = K N(VDD- VT0) V OL- 1/2V OL2 I M=I RVOL=V DD-V T0+1/K NRL-為使 VOL 0 ，要求 KNRL >>1為使 VOL 0，要求 KNRL >>13)Vin=V IL 時(shí), M I：VGS=V in=V ILVDS=V outVDS>V GS-V T0MI 飽和導(dǎo)通I R=(V DD-V out )/R L2I M=1/2 K N (VGS - V T0)22=1/2 K N (Vin - V T0)2I M=I R，對(duì) Vin 微分，得：-1/R L(dV out /dV in)= K N (Vi

7、n - V T0) dV out /dV in =-1VIL=V in =V T0 +1/K NRL此時(shí) Vout =V DD -1/2K NRL4) Vin=V IH 時(shí), M I：VGS=V in=V IHVDS=V outVDS<V GS-V T0MI 非飽和導(dǎo)通I R=(V DD-V out )/R LI M= K N(V GS- V T0)V DS- 1/2V DS2= K N(V in- V T0)V out- 1/2V out2I M=I R，對(duì) Vin 微分，得：-1/R L(dV out /dV in )= K NVou t +(V in- VTH) dV out /d

8、V in- V out (dV out /dV in ) dV out /dV in=-1VIH =V in =V T0+2V out -1/K NRL考慮一個(gè)電阻負(fù)載反相器電路： VDD=5V， KN=20uA/V2 ，VT0=0.8V，RL=200K ，W/L=2。計(jì)算 VTC曲8、線上的臨界電壓值( VOL、VOH、 VIL、 VIH)及電路的噪聲容限，并評(píng)價(jià)該直流反相器的設(shè)計(jì)質(zhì)量?！敬鸢福骸吭O(shè)計(jì)一個(gè) VOL=0.6V的電阻負(fù)載反相器，增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)晶體管VT0=1V， VDD=5V 1）求 VIL 和VIH 2）求9、噪聲容限 VNML和 VNMH【答案：】10、采用 MOSFET作為 n

9、MOS反相器的負(fù)載器件有哪些優(yōu)點(diǎn)【答案：】 采用負(fù)載電阻會(huì)占用大量的芯片面積，而晶體管占用的硅片面積通常比負(fù)載電阻小，并且有源負(fù)載反 相器電路比無(wú)源負(fù)載反相器有更好的整體性能。11、增 強(qiáng)型負(fù)載 nMOS反相器有哪兩種電路結(jié)構(gòu)？簡(jiǎn)述其優(yōu)缺點(diǎn)【答案：】 根據(jù)給增強(qiáng)型負(fù)載提供不同的柵極偏壓，負(fù)載晶體管可以工作在飽和區(qū)或線性區(qū)。飽和增強(qiáng)型負(fù)載反相器只要求一個(gè)獨(dú)立的電源和相對(duì)簡(jiǎn)單的制造工藝，并且VOH 限制在 VDD-V TL。而DD ，線性增強(qiáng)型負(fù)載反相器的 VOH= V DD，噪聲容限高，但需要使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。由于二者的直流功耗較高，大規(guī)模的數(shù)字電路均不采用增強(qiáng)型負(fù)載 nMOS 反相器。12、

10、以飽和增強(qiáng)型負(fù)載反相器為例分析E/E 反相器的工作原理及傳輸特性1)Vin =0時(shí)， MI 截止ML： VDSL= V GSL=VDD-Vout =VDD-VOLVDSL>VGSL-V TLML始終飽和導(dǎo)通Vout = V OH= V DD-V TL2)Vin= VDD時(shí)， Vout =VOLMI ：VGSI=Vin =VDDVDSI=Vout =VOLDSI < V GSI-VTIMI 非飽和導(dǎo)通I DSI = K NI (V GSI- V TI)V DSI- 1/2V DSI = K NI(VDD- V TI) VOL- 1/2V OL22I DSL=1/2 K NL (VGS

11、L - V TL) 2=1/2 K NL (VDD- V OL-VTL)IDSI= I DSLVOL =gmL(VDD - V TL)/2g mI為使 VOL0，要求 gmL<< g mI13、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<0， VGSD=0- V TDVDSD=VDD-V out =VDD-V OL> VGSDMD 始終飽和導(dǎo)通DDVout= VOH= V DD，改善了高電平傳輸特性2)Vin = VDD，Vout = VOLME：VGSE=V

12、in=VDDVDSE=Vout =VOLVDSE<VGSE-VTEMI 非飽和導(dǎo)通I DSE= K NE (V GSE- V T E)V DSE- 1/2V DSE =K NE (V DD- VTE) V OL- 1/2V OL2I DSD=1/2 K ND (VGSD - V TD)=1/2 K NDVTD2IDSI = I DSL2OL = V TD2 KND/2 K NE(VDD - V TE)低電平傳輸特性仍取決于兩管尺寸之比為使 VOL0，要求 KND << K NE傳輸特性曲線如圖示：14、耗盡型負(fù)載 nMOS反相器相比于增強(qiáng)型負(fù)載 nMOS反相器有哪些好處【答案

13、：】耗盡型負(fù)載 nMOS 反相器的制造工藝更加復(fù)雜，但可以有陡峭的 VTC 過(guò)渡和更好的噪聲容限，并且 是單電源供電，整體的版圖面積也較小。另外，在 CMOS 電路中使用耗盡型晶體管還能減少漏電流。有一 nMOSE /D 反相器，若 VTE=2V，VTD=-2V， KNE/KND=2，5 VDD=2V，求此反相器的高、低輸出邏輯電15、平是多少？【答案：】VOL = VTD2 KND/2 K NE(V DD - V TE) =0.027VVOH = V DD=2V16、什么是 CMOS電路？簡(jiǎn)述 CMOS反相器的工作原理及特點(diǎn)【答案：】CMOS電路是指由 NMOS和 PMOS所組成的互補(bǔ)型電路

14、。對(duì)于 CMOS反相器， Vin=0時(shí)， NMOS截止， PMOS導(dǎo)通， Vout =VOH=VDD； Vin = VDD時(shí)， NMOS導(dǎo)通， PMOS截止， Vout=VOL=0。高低輸出電平理想，與兩管無(wú)關(guān)。從對(duì) CMOS反相器工作原理的分析可以看出，在輸入為0或 VDD時(shí)， NMOS和 PMOS總是一個(gè)導(dǎo)通，一個(gè)截止，沒(méi)有從 VDD到 VSS的直流通路， 也沒(méi)有電流流入柵極， 因而其靜態(tài)電流和功耗幾乎為 0。這也是 CMOS 電路最大的特點(diǎn)。17、根據(jù) CMOS反相器的傳輸特性曲線計(jì)算 VIL 和 VIH【答案：】1) Vin =VILMN： VGSN = V in = V IL= V

15、outVDSN>VGSN- V TNMN 飽和導(dǎo)通DSN=1/2 K N(V GSN- V=1/2K N(V IL - V TN)MP： - V GSP = VDD - V in = V DD - V ILV DSP = V DD - V outV DSP < - V GSP(-V TP)MP非飽和導(dǎo)通I DSP= K P (-V GSP- |V TP|)( -V DSP)- 1/2(-V DSP) =K P(V DD- VIL -|V TP|)( V DD - V out) - 1/2( VDD - Vout)2IDSN = I DSP， 對(duì) VIL 微分，得：KP(V DD-

16、VIL -|V TP|)(-dV out /dVin )+(-1) ( V DD - V out)- ( V DD - Vout) (-dV out /dV in ) =KN(VIL -VTN)dVout /dV in =-1VIL =(2V out +VTP-V DD+KRVTN)/(1+K R)2)Vin = VIHMN： VGSN = V in= V IH其中 KR =KN/K P= V outVDSN <VGSN- V TNMN 非飽和導(dǎo)通I DSN= KN(V GSN- V TN)VDSN- 1/2V DSN =K N (VIH - V TN) V out- 1/2 V out

17、 2 MP：- V GSP = V DD - V in = VDD - V IH - V DSP > - V GSP(-V TP)- VDSP= V DD- V outI DSP =1/2 K P(-V GSP2- |V TP|) 2MP飽和導(dǎo)通=1/2K P(V DD-V IH -|V TP|) 2IDSN = I DSP， 對(duì) VIH 微分，得：KN(VIH-VTN) (dV out /dV in )+Vout -V out (dVout /dV in ) =KP(V DD-VIH -|V TP|) dVout /dV in =-1VIH=VDD+VTP +KR(2V out +VT

18、N) /(1+K R)其中 KR =KN/KP20. 解：Vin =VM，NMO、S PMOS均飽和導(dǎo)通DSN=1/2 NCOX(W/L) N(V GSNTN)2=1/2K N(VM- V TN)2I DSP =1/2 PCOX(W/L) P(-V GSP- |VTP|)=1/2K P(V DD-VM-|V TP|)其中 KR =KN/K P由 I DSN = I DSP得： VM=(V DD+VTP+VTN )/(1+ )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、：】19、求解 CMOS反相器的邏輯閾值，并說(shuō)明它與哪些因素有關(guān)【答案：】Vin =VM，NMO、S PMOS均飽和導(dǎo)通I DSN =1/2 NCOX(W/L) N(V GSN - V TN)2=1/2K N(VM- V TN)2IDSP =1/2 PCOX(W/L) P(-V GSP - |V TP|)=1/2K P(V DD-VM-|V TP|)其中 KR =KN/K P由 I DSN = I DSP得： VM=(V DD+VTP+VTN )/(1+ )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 N

20、MOS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， WP WN?？紤]一個(gè)具有如下參數(shù)的 CMOS反相器電路： VDD=3.3V VTN=0.6V VTP=-0.7V KN =200uA/V2 Kp=80uA/V221、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=3.3VVIL =(2Vout +VTP-VDD+KRVTN)/(1+K R)=0.57V out -0.71Vin = V IL時(shí)，有 1/2KN(VIL- V TN) 2

21、=KP(VDD- VIL -|V TP|)( V DD - V out) - 1/2( V DD - V out ) 20.66 V out 2+0.05 V out -6.65=0解得： Vout =3.14VVIL =1.08VVIH= VDD+VTP +KR(2V out +VTN) /(1+K R)=1.43 V out+1.17Vin = V IH時(shí)，有 KN (V IH- VTN) Vout- 1/2 V out 2 =1/2K P(V DD-V IH -|V TP|) 22.61V out2+6.94V out-2.04=0解得： Vout=0.27VVIH =1.55VVNML

22、=VIL -V OL=1.08VVNMH=VOH-V IH=1.75V采用 0.35um 工藝的 CMOS反相器，相關(guān)參數(shù)如下： VDD=3.3V NMO：SVTN=0.6V NCOX= 60uA/V2 (W/L)N=822、PMO：S VTP=-0.7V pCOX =25uA/V2 (W/L)P=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(duì)于 CMOS反相器而言， VOL=0V， VOH=VDD=3.3VVIL=(2Vout +VTP-VDD+KRVTN)/(1+K R)=0.77V out-1.17當(dāng) Vin = VIL 時(shí)

23、， NMOS飽和導(dǎo)通， PMOS非飽和導(dǎo)通由 I DSN = I DSP 得：221/2K N(V IL - V TN) 2=KP(VDD- V IL -|V TP|)( V DD - Vout) - 1/2( V DD - Vout)22.04 V out 2+8.30 V out -44.90=0解得： Vout =3.077VVIL=1.2V同理，VIH=VDD+VTP +KR(2V out +VTN) /(1+K R)=1.23 V out+1.37 當(dāng) Vin = VIH時(shí)， PMOS飽和導(dǎo)通， NMOS非飽和導(dǎo)通由IDSNDSP得：2KN(VIH- VTN) V out- 1/2 V out2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)5.53V out2+24.62Vout -6.15=0解得： Vout=0.24VVIH =1.66V該 CMOS反相器的噪聲容限： VNML=VIL-V OL=1.2VV NMH=VOH-V IH=1.64V設(shè)計(jì)一個(gè) CMOS反相器， NMOS： VTN=0.6V NCOX=60uA/V2 PMO：SVTP=-0.7V