CMOS倒相器工作原理及电压传输特性详细分析

MOS倒相器的工作原理

在单一衬底上可集成的最简单的倒相器就是增强型MOS负载倒相器，它的驱动器件和负载器件均为增强型MOS，所以制造工艺比较简单。增强型MOS负载常处于导通状态，就其工作区域的不同又可分为饱和区和非饱和区，分别称为饱和负载倒相器和非饱和负载倒相器。而E/D MOS和CMOS倒相器的制造工艺虽然复杂，却换来良好的电路性能。

1-2-1 饱和负载倒相器的转移特性

饱和负载倒相器的负载器件是工作在饱和区的n沟增强型MOS，通常是用栅极和漏极相连来实现，其电路图见图1-2-1。由于负载器件Ti的栅极和漏极短接，并与电源VDD连接，负载管的栅源电压与漏源电压相等，即VDSL=VGSL，所以对负载管而言，总是满足条件VDSL>VGSL-VT_L（其中VT_L，为负载管的开启电压），即在漏端附近的硅表面不可能形成反型层，因此负载管始终工作在饱和区。与电阻负载倒相器相比，饱和负载倒相器的负载器件不是纯电阻，而是一个非线性电阻；而且负载管由原来的三端元件成为两端元件。

（一）工作原理

负载管在饱和区工作，T_L的电流与电压关系满足饱和区的MOS管电流方程，而且T_L的栅漏极短接，所以得到下列关系：

IDSL与VDSL间为平方关系。又因为VDSL=VDD-Vo即Vo=VDD-VDSL，因此（1-21）式又可写成

（1-2-2）式就是饱和负我倒相器的负载线方程，图1-2-2a则是饱和负载倒相器的负载线。把负载线和驱动器件的输出特性曲线两者画在一起，得图1-2-2b。

当倒相器CMOS倒相器的输入电压为低电平，驱动管T1截止，仅有微小的反向电流流过，驱动管的漏漂电流近似为零。负载线与驱动管载止时的曲线交点小为关态工作点，A点对应的都出电压为高电平VoH，高电平VoH近似等于（VDD-VT_L）。

当相器的输入电压为高电平（其值为VDD-VT_L），驱动管T1充分导通，电源电压VDD大部分降落在负载管的两端。负载线与驱动管导通时的曲线交点B为开态工作点，B点对应的输出电压为低电平VOL，低电平VOL的大小与驱动管的导电因子β1及负载管的导电因子βL有关。β1越大，βL越小，则VOL越小，正如图1-2-2b中的虚线所示的B'点。由于虚线的A.小于实线的A，所以B'点对应的低电平Va小于B点对应的Vm。MOS管的导电因子β主要与其宽长比（W/L）有关，为得到较低的VOL，负载管TL，的宽长比（W/L）应该较小，驱动管T1的宽长比（W/L）应该较大。

（二）电压传输特性（电压转移特性曲线）

静态工作点只讨论开态和关态两种状态，即输入是高电平或者是低电平两种情况下的输出状态。若输入电压值在高电平和低电平之间时，输出是何种状态呢？电压传输特性曲线给出了各种输入电压值下的输出电压大小。因此，所谓电压传输特性曲线是指输入电平V1和输出电平Vo之间的关系曲线，如图1-2-3所示。

电压传输特性曲线可由下列方法推出：

（1）写出负载器件的电流方程。

（2）当输入电压值从0伏逐渐上升到VDD，驱动器件先后处于截止区、饱和区和非饱和区三个不同的工作状态，分别写出驱动器件在各个不同工作状态下的电流方程。

（3）根据图1-2-1的电路图，令驱动器件的电流等于负载器件的电流。由于这个等式是输入电压及输出电压的函数，故它就是电压传输特性方程。

（4）根据电压传输特性方程，得到输入电压值从0伏上升到VDD所对应的输出电压数据，并画出电压传输曲线。用计算机模拟的方法绘出电压传输特性曲线自然是最简便的，但它的计算方法和步骤与上述一致。

饱和负载倒相器的负载器件的电流方程由（1-2-2）式的负载线方程给出。

而驱动器件的电流方程需分区域考虑后给出：

（1）0<Vi<V1；时，驱动器件工作在截止区域，其电流方程为：

（2）VT₁，<Vi<Vo+VT₁，时，驱动器件工作在饱和区域，其电流方程为：

（3）Vi>V0+VT₁，时，驱动器件工作在非饱和区域，其电流方程为：

式中VT₁是驱动管T1的开启电压，根据上述的步骤[3]分别令三个区域的IDSL=lDSL，则得到三个不同的工作状态下的电压转移关系：

（1）截止区，1/2βL（VDD-Vo-VT_L）²=0

整理后得：Vo=VDD-VT_L=VOH    （1-2-6）    

即图1-2-3中的AB段曲线。

（2）饱和区，1/2βL（VDD-Vo-VT_L）=1/2βL[]（Vi-VT_L）²

整理后得：
其中:        

即图1-2-3中的BC段曲线。

（3）非饱和区，

整理后得：

即图1-2-3中的CD段双曲线。

在图1-2-3的电压传输特性曲线中截止区和饱和区的分界线为直线（l V_I l=l VT₁l），饱和区和非饱和区的分界线为直线（l VI l=l Vo+VT_I l）。

（三）饱和负载倒相器的特点

（1）从饱和负载倒相器（CMOS倒相器）的电路图来看，它使用单一电源，结构简单，设计方便。

（2）它的输出高电平为VDD-VT_L比电源电压低一个阅值电压的数值。因此难以得图1-2-3饱和负载创相器的电压传输特性曲线到预期的高电平，产生不必要的电压损失。

（3）由于负载管始终工作在饱和区，倒相器的功耗大；另外当输出接近高电平时，负载管的漏源电压较小，栅源电压也较小，导致充电能力较差，影响倒相器的工作速度。

（4）它的输出低电平和电压传输特性都同驱动管与负载管的导电因子比（βR=βI/βL）有关。Bx较大，它的输出低电平较低，电压传输特性较好。因此在饱和负载倒相器的设计中，总是把驱动管的宽长比设计得大一些，而负载管的宽长比设计得小一些。

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