Ch10MOS基本電路ppt課件

1、 2022/4/27東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所集成電路設(shè)計(jì)根底王志功王志功東南大學(xué)東南大學(xué) 無線電系無線電系20192019年年東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27第第10章章 MOS根本電路根本電路10.1 傳輸門傳輸門10.1.1 NMOS傳輸門傳輸門10.1.2 PMOS傳輸門傳輸門10.1.3 CMOS傳輸門傳輸門10.2 傳輸門的聯(lián)接傳輸門的聯(lián)接?xùn)|東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所

2、2022/4/27引言引言MOS IC根本邏輯電路:傳輸門(Transmission Gate, Pass Transistor): 用于開關(guān)和傳輸邏輯。反(倒)相器(Inverter): 用于開關(guān)和恢復(fù)邏輯。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27傳輸門不僅是MOS集成電路中的一種根本電路，而且還是一種基元，由于其它根本電路，如反相器，實(shí)踐上也是由傳輸門組成的。10.1 傳輸門傳輸門東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.1.1 NMOS傳

3、輸門傳輸門NMOS傳輸門電路符號以下圖所示。它只含有一個(gè)MOS管，柵極加控制電壓V，襯底接地。MOS管的漏極D與源極S分別接輸入與輸出。輸出負(fù)載是一個(gè)電容CL，它是后級的輸入電容。圖圖 10.1 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.1.1 NMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù)) 留意：MOS管的構(gòu)造是對稱的。 D和S在構(gòu)造上沒有任何差別。通常，規(guī)定輸入端為D，輸出端為S。由于:這種電路是不加電源電壓的；電路正常任務(wù)所需的能量全由輸入端提供。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓就對CL充電，在CL上建立輸出電壓，其能量由輸入端提供。

4、或者CL對輸入端放電，把能量還給輸入端。因此，輸出電壓總是小于或等于輸入電壓。 所以，規(guī)定輸入端為D，輸出端為S。圖圖 10.1 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 NMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))傳輸門電路很簡單，但分析還相當(dāng)費(fèi)事。由于:1) 控制MOS開關(guān)導(dǎo)通與否的電壓是Vgs，而不是V，Vgs = VVO 。這里VO既是輸出電壓，又重新作用在 g-s之間，是百分之百的負(fù)反響，象一個(gè)“源極跟隨器。2) 負(fù)載是一個(gè)電容CL，它有充放電過程，輸出電壓Vo是逐漸建立起來的。 當(dāng)開關(guān)斷開，停頓充放電時(shí)，電容CL上的電荷將堅(jiān)

5、持不變，相應(yīng)的輸出電壓Vo也堅(jiān)持不變MOS呈高阻態(tài)。所以，傳輸門不僅僅是一只開關(guān)，而且還有記憶才干。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27NMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))規(guī)定符號：變量控制輸入當(dāng)前輸出電壓VVIVO邏輯 IO前一時(shí)辰輸出VOO 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 NMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))n兩種情況:n1) = 0 (V = 0),n NMOS不通, VO和O堅(jiān)持不變, 即 VO=VO, n O=O 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射

6、射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 NMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))2) = 1 (V 0) NMOS導(dǎo)通與否取決于Vgs= V -VO假設(shè) VO V -Vtn, 即 Vgs Vtn, NMOS導(dǎo)通,這時(shí)假設(shè)Vi VO , CL將被充電, VO上升, Vomax= V -Vtn假設(shè)Vi V -Vtn, 即 Vgs VO , CL將充電, VO上升, VO= Vi假設(shè)Vi VO , CL將放電, VO下降, VOmin= Vtp=0 VO(t)= max(Vi, Vtp)東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路

7、 研研 究究 所所 2022/4/27 PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))2 ) = 1 (V = Vdd), PMOS不通, VO和O堅(jiān)持不變, 即 VO(t)=VO O=O =1 VO= VO 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27nPMOS傳輸門的根本特性是n=0 VO= max(Vi, Vtp)n=1 VO= VO PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27n結(jié)論一:nPMOS傳輸門用作開關(guān)傳輸邏輯信號時(shí)n傳輸“1邏輯

8、, 將是理想的.n傳輸“0邏輯, 不是理想的. 由于電平是蛻化的, 即Vi=0, Vomin=Vtp.n PMOS放電放不究竟！ PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27n結(jié)論二:n PMOS 傳輸門也是由控制的.n =0, MOS導(dǎo)通, 傳輸信號n =1, MOS截止, VO= VO n 所以, PMOS 傳輸門也是一種記憶元件, 可構(gòu)成時(shí)序邏輯 PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 P

9、MOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù)) 0Vdd V Vi 0 VddVTpVoVddVo 采用形狀表示的傳輸門特性 0 1 I 0 10O1O東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27PMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))結(jié)論三:從PMOS傳輸門的卡諾圖指出，PMOS傳輸門的根本特性為， 表示在的控制下，傳送I。即， = 0時(shí)，O = I = 1時(shí)，O = O( )I=O東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.1.3 CMOS傳輸門傳輸門將NMOS傳輸門和PMOS

10、傳輸門的優(yōu)缺陷加以互補(bǔ), 得到特性優(yōu)良的CMOS傳輸門圖 10.3 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27CMOS傳輸門傳輸門(續(xù)續(xù))n =0, NMOS和PMOS都不導(dǎo)通,nVO(t)= VO(tTp)n不傳輸信號n =1, NMOS和PMOS導(dǎo)通, 有兩條通路n 假設(shè)I=0, 那么NMOS通路更有效 CL可以放電放到 0n 假設(shè)I=1, 那么PMOS通路更有效 CL可以充電充到 1n這樣，輸出電平要么是0，要么是1(Vdd)，沒有電平蛻化，可理想地實(shí)現(xiàn)信號傳送。圖 10.3 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與

11、 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2 傳輸門的聯(lián)接傳輸門的聯(lián)接10.2.1 串聯(lián)串聯(lián)是最常用的一種方式，電路如以下圖所示。圖 10.4 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.1 串聯(lián)串聯(lián)假定兩個(gè)NMOS傳輸門的控制信號分別是1與2，串聯(lián)后，總的特性為1 2 Vo 0 0 Vo 0 1 Vo 1 0 Vo 1 1 min（Va，V2VTn） 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.1

12、 串聯(lián)串聯(lián)表中Va是銜接點(diǎn)a上的電壓。當(dāng)兩個(gè)管子都導(dǎo)通時(shí)，最后的輸出電壓VO該當(dāng)是Va與(V2VTn)之間的最小值。然而，Va是前級的輸出電壓，它該當(dāng)是Vi與(V1VTn)之間的最小值。故，VO = min( Va，V2VTn) = minmin(Vi，V1VTn)，(V2VTn) = minVi，V1VTn，V2VTn圖 10.4 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.1 串聯(lián)串聯(lián)(續(xù)續(xù))定義： 1 = 0，指V1 = 0 2 = 0，指V2 = 0 1 = 1，指V1 = Vdd 2 = 1，指V2 =

13、Vdd I = 0，指Vi = 0 I = 1，指Vi = Vdd串聯(lián)后，它們的卡諾圖為， 0 1 12 I 0，0 0，1 1，1 1，0OO0OOO1O 0Vdd V1 Vi 0，0 0，Vdd Vdd，Vdd Vdd，0VoVo0VoVoVoVddVTnVo東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.1 串聯(lián)串聯(lián)(續(xù)續(xù))結(jié)論：兩個(gè)結(jié)論：兩個(gè)NMOS傳輸門串聯(lián)后，傳輸門串聯(lián)后， 1) 控制信號控制信號1與與2的作用是以結(jié)合方式出現(xiàn)的。的作用是以結(jié)合方式出現(xiàn)的。 假設(shè)假設(shè)12 = 0 ，總有一個(gè)開關(guān)不導(dǎo)通，輸出就

14、堅(jiān)持在，總有一個(gè)開關(guān)不導(dǎo)通，輸出就堅(jiān)持在 前一個(gè)形狀之值，前一個(gè)形狀之值，Vo= Vo。 假設(shè)假設(shè)12 = 1，那么兩個(gè)開關(guān)都導(dǎo)通，可以傳輸數(shù)據(jù)，那么兩個(gè)開關(guān)都導(dǎo)通，可以傳輸數(shù)據(jù)2) 傳輸傳輸“0邏輯是理想的，但傳輸邏輯是理想的，但傳輸“1邏輯那么產(chǎn)生電平蛻化。邏輯那么產(chǎn)生電平蛻化。 其蛻其蛻 化程度為化程度為 min( V1VTn，V2VTn )。3 輸入輸入I與輸出與輸出O之間的關(guān)系為，之間的關(guān)系為，O = 12( I )O = I，當(dāng)，當(dāng)12 = 1 O = O，當(dāng)，當(dāng)12 = 0 4 推行到恣意推行到恣意k個(gè)傳輸門串聯(lián)，有個(gè)傳輸門串聯(lián)，有O = 12k( I ) 但電平蛻化更嚴(yán)重。但電

15、平蛻化更嚴(yán)重。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.2 并聯(lián)并聯(lián) 并聯(lián)也是常用的一種方式，其電路如以下圖所示。Vi 1Vi 2VoV1V2CL圖7 . 51 2Vo0 0Vo0 1mi n （Vi 2，V2 VT n）1 0mi n （Vi 1，V1 VT n）1 1？圖 10.5 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.2 并聯(lián)并聯(lián)(續(xù)續(xù))n 當(dāng)12 = 1時(shí)，電路是沖突的。由于這時(shí)兩個(gè)傳輸門都把各自的輸入信號傳輸給共同的輸

16、出。n 假設(shè)兩路輸入形狀一樣，且電壓值也相等，Vi1 = Vi2，那么這類傳輸仍是答應(yīng)的。但假設(shè)兩路輸入的形狀不同，電壓值不等，且假設(shè)兩個(gè)MOS開關(guān)也很理想，那么電路就矛盾。按照Kirchoff定律，有n Vi1 Vo= 0 n Vi2 Vo= 0n 那么必有Vi1 = Vi2，結(jié)果是依托外電路實(shí)現(xiàn)新的平衡，強(qiáng)迫Vi1 = Vi2。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.2 并聯(lián)并聯(lián)(續(xù)續(xù))定義： 1 = 0，指V1 = 0 2 = 0，指V2 = 0 1 = 1，指V1 = Vdd 2 = 1，指V2 = V

17、dd I1 = 0，指Vi1 = 0 I2 = 0，指Vi2 = 0 I1 = 1，指Vi1 = Vdd I2 = 1，指Vi2 = Vdd那么兩個(gè)MOS開關(guān)并聯(lián)后，其輸出電壓Vo特性為，0 00 VddVdd VddVdd 0 V 1 Vi1 V 2 Vi2 0 0 0 Vdd Vdd Vdd Vdd 0Vo000VoVddVTnX0VoVddVTnVddVTnVddVTnVo0XVddVTn東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.2 并聯(lián)并聯(lián)(續(xù)續(xù))相應(yīng)的卡諾圖為，假設(shè)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能保證不出現(xiàn)沖突情況，那么可

18、以把這兩個(gè)制止形狀劃入圈內(nèi)，可得， O = 1 I1+2 I2，除了1+ 2 = 0外 O = O， 1+ 2 = 0可見，它是一種與或邏輯。其中，“與發(fā)生在控制變量i與傳輸變量Ii之間，條件是不發(fā)生沖突；“或發(fā)生在線或邏輯。兩路都不使能時(shí)，輸出為高阻態(tài)，堅(jiān)持在前一個(gè)形狀。0 00 11 11 0 1 I1 2 I2 0 0 0 1 1 1 1 0O000O1X0O111O0X1東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.2 并聯(lián)并聯(lián)(續(xù)續(xù))上式也可寫為， O = 1( I1 ) + 2( I2 ) 表示，在1控制

19、下傳輸I1與2控制下傳輸I2發(fā)生線或。顯然，兩個(gè)NMOS傳輸門的并聯(lián)，可以推行到恣意k個(gè)傳輸門的并聯(lián)。得， O = 1( I1 ) + 2( I2 ) + + k( Ik )東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.2.3 串并聯(lián)串并聯(lián) 串并聯(lián)是傳輸門網(wǎng)絡(luò)的最根本方式，其電路如下圖。它的輸出為，O = 13 ( I1 ) + 24( I2 ) + 12 ( I3 ) + 34 ( I4 )對一個(gè)復(fù)雜的傳輸門網(wǎng)絡(luò)，上式可寫為，O = P1( I1 ) + P2( I2 ) + + Pk( Ik )式中Pk是第k路的各控

20、制變量的邏輯乘積圖 10.6 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.3 NMOS反相器反相器反相器的傳輸門觀念解釋NMOS的源極視作傳輸門的輸入端Vi ，但是接地，即Vi0。NMOS的漏極視作傳輸門的輸出端，經(jīng)過RL接Vdd。V=0， MOS管截止，VO=Vdd；V= Vdd ， MOS管導(dǎo)通， 如RL10k，RMOS1k，那么分壓比為10:1，VOL Vdd/10， 屬于低電平，可以作為邏輯“0。于是有 VO與V的邏輯關(guān)系正好是一個(gè)反相器。 輸出形狀O是輸入形狀的非。=O 0 I 0 110IO I i=VV東

21、東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.3 NMOS反相器反相器反相器的共源放大器觀念解釋NMOS反相器根本電路：共源放大器。Vi=0， MOS管截止，Vo=Vdd； Vi= Vdd ， MOS管導(dǎo)通，如RL10K，RMOS1K，那么分壓比為10:1，VOL Vdd/10，屬于低電平，可以作為邏輯“0。于是有不言而喻，它是一個(gè)反相器。輸出形狀O是輸入形狀I(lǐng)的非。IO =Vi0VddVoVdd0圖 10.10 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/

22、2710.4 NMOS反相器負(fù)載電阻的選擇反相器負(fù)載電阻的選擇NMOS反相器的負(fù)載有四種根本方式：純電阻負(fù)載。任務(wù)在飽和區(qū)的加強(qiáng)型MOS管負(fù)載。耗盡型MOS管負(fù)載。任務(wù)在非飽和區(qū)的加強(qiáng)型MOS管負(fù)載。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL電路圖圖 10.11 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))過去曾以為，用分散電阻做負(fù)載，所占硅片面積太大，因此改用有源器件做

23、負(fù)載。但是，隨著半導(dǎo)體工藝的開展，特別是離子注入技術(shù)的進(jìn)展，在80年代初期，在NMOS數(shù)字集成電路中，又開場采用純電阻負(fù)載。不過，采用的是多晶硅電阻。采用多晶硅電阻作負(fù)載的反相器目前已廣泛用于構(gòu)造SRAM電路。由于多晶硅的電阻率高，且易于控制，用它來替代耗盡型管負(fù)載后，SRAM存儲胞的面積可以節(jié)省40%。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))l 輸入低電平ViLl 當(dāng)Vi = ViL VT時(shí)，MOS管導(dǎo)通。假設(shè)負(fù)載線做在MOS管特性曲線的轉(zhuǎn)機(jī)處，那么Ids=()e2dsds

24、TgsoxV21VVVLWt =()e2OLOLTOHoxV21VVVLWt =LOLddRVV 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27()TOHoxdsOLVVLWtIV=e()OLTOHoxddLVVVLWtVR=e由此可解出VOL，它將是VOH和RL的函數(shù)。通常，VOL Vdd，那么上式可以簡化，得假設(shè)要求反相器輸出低電平，低于VOL，那么負(fù)載電阻RL必需大于該值。10.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022

25、/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))=反相器的上升沿取決于充電電路。反相器的上升沿取決于充電電路。=充電電流充電電流 ：=ch = RL CL，電阻上的壓降為，電阻上的壓降為，= =故輸出電壓故輸出電壓Vo為為= Vo = Vdd ich RL = Vdd =顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)Vo上升到上升到VOH時(shí)，就可以確定上升沿。時(shí)，就可以確定上升沿。chtLOLddcheRVVit/=()chtOLddLchRLeVVRiVt/=()chtOLddddLchddoeVVVRiVVt/=OHddOLddchrVVVVt=lnt東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集

26、成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))n 反相器的下降沿取決于放電電路。反相器的下降沿取決于放電電路。n 主要放電途徑是主要放電途徑是CL經(jīng)過經(jīng)過MOS管放電，從管放電，從VOH放到放到VOL。從特性曲線上可以看出，整個(gè)放電過程中。從特性曲線上可以看出，整個(gè)放電過程中MOS管處于飽和形狀，屬于恒流放電，其等效電路如下圖管處于飽和形狀，屬于恒流放電，其等效電路如下圖()()2TOHox2Tgsoxds 21 21VVLWtVVLWtI=ee圖 10.12 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研

27、研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù)) 留意，這個(gè)電路的計(jì)算相當(dāng)費(fèi)事，由于它有三個(gè)電源：1) 恒流源Ids；2) 電源電壓Vdd；3) 電容初始電壓VOH 可以利用疊加原理來計(jì)算，它相當(dāng)于兩個(gè)電路之和， 如下圖。圖 10.13 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))電流源開路的那一部分，它的輸出電壓VO1可以套用充電電路的結(jié)果，電壓源短路的那一部分可以轉(zhuǎn)化為電壓源方式，如圖()chtLdsdseRIEt/1=()chtLdsdsOe

28、RIEVt/21=LLchCR=t()chtOHddddOeVVVVt/1=圖 10.14 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.1 純電阻負(fù)載純電阻負(fù)載RL(續(xù)續(xù))這樣，總的輸出電壓Vo為，可以檢驗(yàn)，上式是正確的。由于當(dāng)t = 0時(shí)，Vo = VOH；當(dāng)t = 時(shí)，Vo =VOL，于是，實(shí)際上講，要t = 才干建立低電平VOL，但實(shí)踐上，放電放到0.1 VOL就夠了。于是， 由此可見，在純電阻負(fù)載的反相器中，上升沿與下降沿主要取決于負(fù)載電阻RL的選擇。()() ()chchchtLdsOHddLdsddtL

29、dstOHddddOOoeRIVVRIVeRIeVVVVVVttt/21 )1 (=OLOLOHchfVVVt1 . 0ln=t()()chchtOLOHOLtOHOLOLoeVVVeVVVVtt/=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載如下圖。該電路特點(diǎn)是，用加強(qiáng)型MOS管做負(fù)載，且它的柵極連到最高電位Vdd，同漏極電位一樣。圖 10.15 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)

30、型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))為什么稱它為飽和加強(qiáng)型負(fù)載呢？這是有道理的。柵極與漏極短路，負(fù)載實(shí)踐上是一個(gè)二極管，其伏安特性可以從三極管特性中，按照Vds = Vgs導(dǎo)出。人們把特性曲線的轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)連起來，可以得到一條曲線，它滿足Vds = VgsVT，是非飽和區(qū)與飽和區(qū)的分界限。假設(shè)將這條曲線右移VT值，即可得到滿足Vds = Vgs的二極管伏安特性。如今，人們就把這條二極管特性作為負(fù)載線，而這條二極管特性曲線上任何一點(diǎn)都在原三極管的飽和區(qū)內(nèi)，故稱為飽和加強(qiáng)型負(fù)載。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加

31、強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù)) 留意，這條二極管特性曲線的起始點(diǎn)為VT，當(dāng)Vds VT時(shí)，也就是Vgs VT，負(fù)載管是不導(dǎo)通的，電流為0。故負(fù)載特性必需扣除這一段。如下圖。圖圖10.16 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))l 輸出高電平輸出高電平VOHl 當(dāng)當(dāng)Vi = VOLVT時(shí)，驅(qū)動管導(dǎo)通，進(jìn)入非飽和時(shí)，驅(qū)動管導(dǎo)通，進(jìn)入非飽和區(qū)任務(wù)，但負(fù)載管是飽和區(qū)任務(wù)的，故區(qū)任務(wù)，但負(fù)載管是飽和區(qū)任務(wù)的，故 l l 利用利用VOL Vdd，VOL VT。()()()OLOHO

32、LTOH2OHLDV2VVVV2VL/WL/W=()TOHDoxdsOLVVLWtIVe東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))n 上升沿取決于充電電路，從上升沿取決于充電電路，從VOL充到充到VOHn 我們記得，負(fù)載管任務(wù)在飽和區(qū)，飽和區(qū)的電流是恒定不我們記得，負(fù)載管任務(wù)在飽和區(qū)，飽和區(qū)的電流是恒定不變的。故充電過程是一種恒流充電：變的。故充電過程是一種恒流充電：n 由于由于 VgsL = VdsL = Vdd ( Vds )D = Vdd Von 代入得，代入得，n

33、n 采用分別變數(shù)法，采用分別變數(shù)法，()221TLgsLLoxoLVVLWtdtdVC=e()221TLoddLLVVVdtdVC=LoxLLWt=e()22TLoddoLLVVVdVCdt=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))初始條件為，t = 0時(shí)，Vo = VOL，于是，積分得， 移項(xiàng)得， 顯而易見，只需當(dāng)t 時(shí)，Vo才會充到VOH。這也闡明了我們?yōu)槭裁床徊捎枚ǚe分直接求解上升時(shí)間，而寧愿采用不定積分，間接求解上升時(shí)間的理由。()=ooLVV2TLoddoLLt

34、0VVVdVC2dt=TLoLddTLoddLLVVVVVVCt112OLOHLLOHTLoLddLLTLddoVVtCVVVVtCVVV=121 121東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))為了求解出上升時(shí)間，我們把上式改寫為， 由于它不是指數(shù)函數(shù)，因此只能近似估計(jì)出它的時(shí)間常數(shù)， 等效的充電電阻RL為，()()=tVVCVVVtVVCVVVVoLoHLLOHOLOHoLoHLLoLoHOHO21/11 21()OLOHLLLVVCR=2()oLoHLchVV=t2東

35、東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))實(shí)踐上，充電是經(jīng)過飽和加強(qiáng)型MOS管實(shí)現(xiàn)的，其充電電流滿足下式， 它的微分電導(dǎo)為， 相應(yīng)的內(nèi)阻為，由此可見，等效充電電阻RL就等于飽和加強(qiáng)管內(nèi)阻在任務(wù)點(diǎn)上數(shù)值的兩倍。()221TLgsLLdsVVI=()()()ooHLTLoddLTLgsLLgsLdsVVVVVVVdVdI=()ooHLLVVr=1東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 10.4.2 飽和加

36、強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))n 下降沿取決于放電電路下降沿取決于放電電路n 在研討放電電路時(shí)，有兩個(gè)特點(diǎn)需求留意：在研討放電電路時(shí)，有兩個(gè)特點(diǎn)需求留意：n 1前面已講過，驅(qū)動管的前面已講過，驅(qū)動管的( W/L )D比負(fù)載管的比負(fù)載管的( W/L )L大大5倍倍以上，這意味著驅(qū)動管的內(nèi)阻比負(fù)載管內(nèi)阻小得多。故在以上，這意味著驅(qū)動管的內(nèi)阻比負(fù)載管內(nèi)阻小得多。故在CL放電期間可以忽略負(fù)載管的影響，僅需思索驅(qū)動管的影響。這放電期間可以忽略負(fù)載管的影響，僅需思索驅(qū)動管的影響。這樣，放電電路就可以簡化。樣，放電電路就可以簡化。n 2放電是高電平放電是高電平VoH向低電平向低電平VoL過渡。過渡。n 開場

37、放電時(shí)，驅(qū)動管的漏極電壓較高，處于飽和區(qū)，放電電開場放電時(shí)，驅(qū)動管的漏極電壓較高，處于飽和區(qū)，放電電流是常數(shù)。流是常數(shù)。()221ToHDdsVVI=tVCILds=dsLIVCt=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))利用上面的公式，可以直接計(jì)算電壓下降V所需求的時(shí)間。假設(shè)Vo下降到這樣的程度，到達(dá) Vo = Vds =Vgs VT 即 V = VoH VoH VT= VT 時(shí)，驅(qū)動管進(jìn)入非飽和區(qū)，Ids不再是常數(shù)，需求換Ids公式。故這段放電時(shí)間tdis1為，從Vo

38、 = Vds =VoH VT開場，下降到VoL，這一段是在非飽和區(qū)，放電電流不是常數(shù)，故不能用上面的近似公式，只能求解微分方程式：()2121ToHDTLdisVVVCt=()=221dsdsToHDdsLVVVVdtdVC東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))解得， 式中 D = CLRD，是放電時(shí)間常數(shù)。 是驅(qū)動管在線性段上的內(nèi)阻?，F(xiàn)將初始條件 t = 0 tdis2， Vo = VoH VTVo，代入得，合并得：tf = tdis1 + tdis2()DDttTo

39、HdsOeeVVVVtt/12=()ToHDDVVR=1()=12lnD2oLToHdisVVVt東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.2 飽和加強(qiáng)型負(fù)載飽和加強(qiáng)型負(fù)載(續(xù)續(xù))通常，飽和電流大，放電快，故tdis1 VT，VoH VoL，那么上式簡化為，我們對比充電時(shí)間常數(shù)ch與放電時(shí)間常數(shù)D，可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)別僅在于，即驅(qū)動管的( W/L )D與負(fù)載管的( W/L )L之比的2倍。顯然，放電時(shí)間大致只需充電時(shí)間的非常之一。換言之，在反相器中，門的延遲，主要來源于緩慢的充電時(shí)間。oLoHDfVVt2lnt=()T

40、oHDLDLDVVCRC=t()ToHLLLLchVVCRC=t22/LDDch=tt東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.3 耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載廣泛運(yùn)用于NMOS電路，其電路符號和特性曲線如下圖。圖圖 10.17 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.3 耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載(續(xù)續(xù)) 由于耗盡型管的門限電壓是負(fù)的，當(dāng)柵極與源極短路時(shí)，管子永遠(yuǎn)是導(dǎo)通的。這樣，當(dāng)Vi VT，驅(qū)動管導(dǎo)通，進(jìn)入非飽和形狀時(shí)，負(fù)載管卻是

41、飽和形狀。于是，()=222121oLoLToHDTLLdsVVVVVI東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.3 耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載(續(xù)續(xù))假設(shè) VoL VoH VT，那么思索到有體效應(yīng)，那么VTL應(yīng)取平均值，或取最壞情況計(jì)Ids值。()()()ToHoL2TLLDLDVVV2VL/WL/W=()ToHDdsoLVVIV=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.4.3 耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載(續(xù)續(xù))n 上升沿取決于充電電路。上升沿

42、取決于充電電路。n 因那時(shí)驅(qū)動管截止，負(fù)載管處于飽和形狀，故因那時(shí)驅(qū)動管截止，負(fù)載管處于飽和形狀，故屬于恒流充電。屬于恒流充電。n n 假設(shè)從假設(shè)從VoL充到充到VoH，那么，那么221TLLdsoLVIdtdVC=()()22TLLoLoHLdsoLoHLchVVVCIVVCt=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27l 下降沿取決于放電電路。下降沿取決于放電電路。l 而放電電路同以前的一樣，不用重算。下面簡單計(jì)算一下，就而放電電路同以前的一樣，不用重算。下面簡單計(jì)算一下，就可以知道耗盡型負(fù)載反相器的特性是不錯(cuò)的?？梢?/p>

43、知道耗盡型負(fù)載反相器的特性是不錯(cuò)的。l 假設(shè)假設(shè)Vdd =5V，VT = 1V，VTL = 4V，VoH =5V，VoL = 0.5V，那么，那么l 可見，驅(qū)動管的寬長比只需比負(fù)載管大可見，驅(qū)動管的寬長比只需比負(fù)載管大4倍。因此，倍。因此，L可以大可以大一些，充電時(shí)間就可以短。一些，充電時(shí)間就可以短。10.4.3 耗盡型負(fù)載耗盡型負(fù)載(續(xù)續(xù))()()()4155 . 024L/WL/W2LD=東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.5 CMOS反相器反相器10.5.1 電路圖電路圖規(guī)范的規(guī)范的CMOS反相器反相器電

44、路如下圖。電路如下圖。留意留意1：NMOS和和PMOS的襯底是分開的，的襯底是分開的，NMOS的襯底接最低電位的襯底接最低電位地，地，PMOS的襯底接最高電位的襯底接最高電位Vdd。圖圖 10.18 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.5.1 電路圖續(xù)電路圖續(xù)留意2：NMOS的源極接地， 漏極接高電位；PMOS的源極接Vdd， 漏極接低電位。留意3： 輸入信號Vi對兩管來說， 都是加在g和s之間， 但是由于NMOS的s接地， PMOS的 s接 Vdd，所以Vi對兩管來說參考電位是不同的。東東 南南 大大 學(xué)學(xué)

45、射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.5.2 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 在分析CMOS反相器的特性時(shí)，留意如下現(xiàn)實(shí)：在電路中，PMOS和NMOS位置對等，功能互補(bǔ)它們都是驅(qū)動管，都是有源開關(guān)，部分的互為負(fù)載：它們都是加強(qiáng)型MOSFET對于NMOS有對于PMOS有對輸入和輸出信號而言，PMOS和NMOS是并聯(lián)的Vi Vtn 導(dǎo)通Vi Vdd - |Vtp| 截止Vi 0， Pdc 0 。東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/2710.5.3 CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬

46、態(tài)特性研討瞬態(tài)特性與研討靜態(tài)特性不同的地方在于必需思索負(fù)載電容下一級門的輸入電容的影響。 脈沖電路上升，下降和延遲時(shí)間的定義，既如下圖。tr ： (Vo=10%VomaxVo=90%Vomax) tf ： (Vo=90%VomaxVo=10%Vomax) td ： (Vi=50%VimaxVo=50%Vomax) 圖 10.27 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27i)Vi從1到0, CL充電。如圖10.28所示。在此過程中，NMOS和PMOS源、漏極間電壓的變化過程為：Vdsn：0Vdd|Vdsp|：Vdd0 ，即

47、 123原點(diǎn)CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性圖 10.28 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27 思索到上拉管導(dǎo)通時(shí)先為飽和形狀而后為非飽和形狀，故輸出脈沖上升時(shí)間可分為兩段來計(jì)算，如圖10.29所示。CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性圖 10.29 東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/271、飽和形狀時(shí) 假定VC(0)=0, 恒流充電時(shí)間段有 ， 積分得 ()dtdVCVV21oL2tpddp=()()()=tpddVV1 .

48、02tpddpddtpLo2tpddpL1rVVV1 . 0VC2dVVVC2tCMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/272、 非飽和形狀時(shí) 線性充電時(shí)間段有， 積分得， 經(jīng)變量代換，部分分式展開，可得， 總的充電時(shí)間為， tr=tr1+tr2 假設(shè)Vtp = -0.2 Vdd，那么 ()()()dtdVCVV21VVVVoL2oddoddtpddp=()()()=ddtpV9 . 0V2oddoddtpddopL2rVV21VVVVdVCt()=ddtpddtpddpL2rVV20

49、V19lnVVCttpddpLrVV1C3tCMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/27ii) Vi從0到1, CL放電 NMOS的導(dǎo)通電流開場為飽和形狀而后轉(zhuǎn)為非飽和形狀，故與上面類似，輸出脈沖的下降時(shí)間也可分為兩段來計(jì)算。如下圖。圖 10.30 CMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/271、飽和形狀 假定VC(0)=Vdd，恒流放電時(shí)間段有， 積分得， ()dtdVCVV21oL2tnddn=()()()=tnddddVVV9 . 02tnddntnddLo2tnddnL1fVVVV1 . 0C2dVVVC2tCMOS反相器的瞬態(tài)特性反相器的瞬態(tài)特性東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/4/272、非飽和形狀、非飽和形狀 線性放電時(shí)間段有，線性放電