MOS管集成电路最基本的基础-（倒相器）分析

MOS-IC最基本的单元——倒相器

最基本的MOS管集成电路是完成逻辑“非”功能的门电路，它是数字电路的最基本单元。

由于它输出和输入的信号极性是相反的，称为“倒相器”。

倒相器由负载器件和驱动器件组成，MOS倒相器如图1-1-1所示。实际应用中负载器件可采用电阻、p沟增强型MOS管、n沟增强型MOS管和n沟耗尽型MOS管。而驱动器件则一般采用增强型MOS管，这是因为增强型MOS管的栅和漏是同一极性，在电路中便于级间的直接耦合。另外驱动管导通时一般工作在晶体管的非饱和区，非饱和区小的导通电阻可以获得较低的输出低电平。

（a）电阻负载（b）增强型负载（c）耗尽型负载

 图1-1-1MOS倒相器

倒相器的负载器件用MOS管来替代扩散电阻，可以极大地减少负载器件在集成电路芯片中所占的面积；另一个优点是当负载MOS管在关态运用时，可以降低倒相器的功耗。如果负载MOS管受时钟控制，则功耗就成为时钟占空比的函数。MOS负载器件的种类较多，可以是增强型，也可以是耗尽型；可以工作在饱和区，也可以工作在非饱和区。负载器件和驱动器件采用各种不同种类的组合，构成倒相器的不同类型，如表1-1-1所示。

表中各种类型的倒相器中，PMOS为早期采用的一种形式，但是PMOS的导电载流子是空穴，其迁移率是电子的三分之一至二分之一，所以现在随着NMOS工艺的成熟，PMOS已逐渐被NMOS所取代。而增强/耗尽MOS倒相器（E/D MOS）具有集成度高和开关速度快的优点，虽然它要求在同一芯片上制造出增强型和耗尽型两种不同阈值电压的器件，应用离子注入技术后，在制作工艺中可随意调整闹值电压，所以N沟E/D MOS电路已是MOS大规模集成电路中采用的主要形式。至于CMOS倒相器的优点是功耗低、速度高和抗干扰能力强，是表1-1-1所列的倒相器中最优越的一种，目前的中大规模MOS管集成电路大多采用CMOS形式。特别因CMOS的微功耗优势，被广泛应用于字宙空间技术、携带式电子计算机和通讯机以及电子钟表等方面。由于这种互补电路要求在一个晶片衬底上制造两种不同沟道的MOS管，阱的运用和电隔离的要求，使集成度受到影响，但随着目前亚微米工艺技术的发展，CMOS电路在超大规模集成电路中已占绝对的优势。  

表1-1-1MOS倒相器的主要类型

以上不同的MOS倒相器都可以通过不同的集成工艺技术，在硅衬底上制造。然而，不同的倒相器类型、器件运行模式、衬底材料和版图设计细节都决定和影响倒相器的参数：分布电容、速度、功耗和输出摆幅等等。

本章首先介绍不同类型的倒相器，分别描写它们的输出特性、静态转换特性、动态特性和版图没计等。至于用p沟或n沟作驱动器件，其基本特性是相同的，只是极性和某些参数（如迁移率）不同，我们以n沟作为分析的代表电路。在倒相器的基础上，接着介绍电路的基本门和传输门，然后介绍触发器的各种结构和运行模式。

图1-1-2 电阻负载倒相器的特性曲线和工作点

图1-1-1a的电阻倒相器是由一个MOS管（作驱动器件）和一个扩散电阻（作负载器件）组成。输入器件为增强型N沟MOS晶体管T₁，T₁的不同输入电压（即栅源电压Vcs）下的电流电压特性曲线，如图1-1-2所示。流过T₁管的电流Ios受电源电压Vam与负载电阻RL的限制。从图1-1-1a的线路可看出，它满足下列关系：

上式也称为倒相器电路的负载线方程。

由于流过T₁管的电流I_DS与流过负载电阻R的电流相同，且T₁，管的漏源电压V_Ds与输出电压V_o相等，故可以在T₁管的电流电压特性曲线上，根据（1-1-1）式的直线方程作出V_o∝I_DS 曲线。该曲线是一条直线，称为负载线。负截线与χ轴（V_DS轴）的交点为（0，V_DD，0）；负载线与y轴（I_DS轴）的交点为（0，V_DD/RL）。负载线的斜率为△VDs/△IDS=一RL。

当输入电压Vi，接近零伏时，T1管截止，反向漏电流ID≈0，T1管电流电压曲线与负载我相交于A点。A点在T，管的截止区，此时输出电压接近Va，输出为高电平，A点称为关态工作点。

当输入电压V.~Vam，T；管充分导通，T，管电流电压曲线与负载线相交于B点。B点在T；管的非饱和区，此时T1管漏源两端呈现的电阻很小（远低于RL），电源电压VDD绝大部分降落在负载电阻RL两端，输出为低电平，B点称为开态工作点。负载电阻RL越大，则负载线的斜率越小，输出低电平越低，如图1-1-2中的B'点所示。

在电源电压一定的情况下，负载电阻RL的选择是很重要的。除了上述为降低输出低电平宜采用大的阻值以外，为降低电路功耗和提高输出逻辑摆幅也需要采用大电阻。然而，大阻值的扩散电阻在芯片中占去较大的面积，不利于集成度的提高。所以，在MOS管集成电路的制造中倒相器都采用MOS管作负载器件的形式。

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