信息來源: 時間:2020-10-28
一、工作原理
在E/EMOS倒相器電路中,負載管通常有兩種偏置狀態。一種是柵漏共接電源VDD,稱為飽和型MOS負載;另一種是柵單接電源,稱為非飽和MOS負載。這兩種負載M0S晶體管的連接方法,示于圖2-5中。下面分別討論這兩種倒相器的工作原理。
在圖2-5(a)中的TL是柵漏共接的MOS負載器件,它和上面講的純電阻負載不同,是一個隨著源極電壓不同而變化的可變電阻。由于VDD=,VDS,所以滿足。因此,它總是工作在飽和區。另外,我們可以看到,負載管的源電壓Vs是變化的,因此會使柵偏壓VGS也跟著變化,從而溝道電阻也跟著變化,這就是柵偏壓VGS受源極電壓VS的調制作用。圖2-6(a)所示為對溝道調制的截面示意圖。
當負載MOS品體管的源電壓增加時,引起柵源電壓VGS變小,使得溝道變薄,溝道電阻增大,從而電流Ios也逐漸變小。圖2-6(b)是共柵漏MOS負載的I-V特性曲線??梢钥吹?,Vs=0時,VDD最大,所以Im也最大,當Vs增大時,VGS變小,Ios逐漸減??;當a增加到等于VDD-VT,這時VGS-VT,負載管處于微導通狀態,因此IDS≈0。
從共都漏負我管的I-V特性曲線上看到,它的I-V特性是一條曲線,表明負載管是一個可變電阻,當Vs由0V變到VDD-VT時,其阻值越來越大。
飽和負載MOS倒相器的倒相原理,與上述電阻負載倒相器的原理是相同的。當輸入“1”電平時(),輸入MOS管導通。其實這時的負載管也是導通的,但由子輸入管”,的導通電阻設計得比負載管的通導電阻小得很多,電源電壓VDD絕大部分降落在負載管TL上,所以輸出電壓為“0”電平。
當輸入為“0”電平時,輸入MOS管完全截止,其截止電阻很大,電源電壓大部分降落在上,所以輸出為“1”電平。這時負載管上,處于微導通狀態。輸入管截止和導通兩個狀態的兩根輸出特性曲線在圖2-8中表示出來。如把負載管的I-V符性曲線(即為負載線)與輸入管的兩條輸出特性曲線迭加起來,得到倒相器的輸出特性曲線和兩個工作點A和B,其中A為開態工作點,表示倒相器導通狀態,輸出“0”電平;B為關態工作點,表示倒相器截止狀態,輸出“1”電平。
綜上所述,飽和M0S倒相器,只用一個電源,結構比較簡單,使用比較方便。但由于輸出最大電壓只能達到VDD-VTL,比電源電壓低一個圈值電壓的數值,而且VS不直接接地,出于背面柵效應,VT的數值要增大,降低了輸出電壓幅度。如果要求輸出較高的高電平。就得提高電源電壓,產生不必要的電源損失;而且,由于負載管工作在飽和區,當輸出接近高電平值時,負載教管臨近截止狀態,電阻變得很大,對電路速度不利,這在下面還要分析。
上面講到,飽和負載MOS倒相器雖然結構簡單,但有明顯的缺點。為了改進倒相器的性能,提高輸出電壓幅度和工作速度,可將倒相器負載管的柵極單獨接一個電源VGS,使負載管工作在非飽和區。這種倒相器稱為非飽和負載MOS倒相器,如圖2-9所示。
為使負載管工作在非飽和區,必須滿足:
由于:
因此:
即
這就是說,要使負載管工作在非飽區,的取值至少要比VDD高一個閥值電壓
與前面分析飽和負載MOS倒相器的方法相同,將負載管的I-V特性與輸入管導通、截止兩個狀態的輸出特性迭加起來,就得到倒相器的輸出特性曲線和兩個工作點A和B。如圖2-10所示。A為開態工作點;B為關態工作點。由于負載管始終工作在非飽和區,溝道電阻很小,,所以輸出高電平近似等于VDD。
綜上所述,非飽和MOS負載倒相器有以下的特點:負載管始終工作在非飽和區,阻值較小,有利于提高工作速度;輸出擺幅較大,最大輸出電壓可達到電源電壓VDD;但由于增加一個電源,增加了線路結構的復雜性;況且功耗較大,輸出低電平的數值稍有提高。
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