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              E/E MOS倒相器的靜態特性分析

              信息來源: 時間:2020-10-29

              E/E  MOS倒相器的靜態特性分析

              1、輸出電壓的討論 

              從上面分析知道,倒相器工作有“開”和“關”兩個狀態,即導通態和截止態;在輸出特性曲線上的工作點A和B所對應的兩個電壓,即為輸出低電平和輸出高電平,分別用image.pngimage.png表示,如圖2-11所示。

              下面以飽和MOS負載倒相器為例,來討論輸出低電平image.png和輸出高電平image.png的表示式。圖2-12是倒相器的等效電路。

              (1)輸出低電平 

              當倒相器充分導通時,由于輸入MOS管的導通電阻很小,輸出為“0”電平,但實際輸出電壓并不等于0V,因為有一個導通電阻image.png存在,所以實際的輸出電壓應該是:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              其中image.png是輸入MOS管導通時的導通電流。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              從倒相器的等效電路圖2-12上看,可以寫出:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              其中RL為負載MOS管的等效電阻,image.png為通過負載管的電流。將(2-5)和(2-6)式改寫成電流的形式,并根據EMOS倒相器的靜態特性分析,則有:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              經整理,得到輸出低電平EMOS倒相器的靜態特性分析為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              其中image.png為輸入管的導通電阻,根據(1-57)式有:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              BL為負載管的導通電阻,其值為非飽和時導通電阻的2倍,所以有:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              將這兩式代入(2-8)式,得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              在倒相器的設計中,往往取image.png,因此可忽略上式分母中的image.png。于是得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              可以看到,image.png不僅與工藝參數image.png有關,還與負載管和輸入管的跨導成正比。要使輸出低電平image.png接近0V,設計時必須滿足image.png,即image.png的比值要非常小。從圖2-13直接看出,如倒相器輸入管的跨導image.png一定,則負載管的跨導image.png愈小,倒相器輸出低電平image.png愈靠近原點;如倒相器的負載管跨導image.png一定,那么輸入管的跨導愈大,輸出低電平image.png也愈靠近原點。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              前已講到,跨導的大小,直接反映著器件溝道寬長比W/L的大小。image.png愈大,溝道的寬長比愈大,反之,image.png愈小,溝道的寬長比也愈小。所以,若要使倒相器的輸出低電平趨近于0V,設計時要使輸入管的尺寸遠比負載管的尺寸大。根據(2-9)式所表示的計算公式,可以直接進行設計。

              (2)輸出高電平

              當倒相器截止時,輸入管的截止電阻很大,電源電壓大部分降落在輸入管的截止電阻上,輸出為高電平image.png。由于這時倒相器處于截止狀態,image.png,即:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              所以求得輸出高電平最大值為EMOS倒相器的靜態特性分析,可見,輸出高電平只與負載管的閥電壓image.png有關。由于背面柵效應的影響,負載管的image.png是隨著輸出電壓而變化的。所以計算image.png就比較復雜。在實際設計時,一般先確定輸出高電平image.png的數值,然后算出image.png,再確定電源電壓image.png。

              考慮了背面柵效應,輸出高電平V。出和輸出低電平VaL的表達式,應作相應的改變。即:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              2、電壓傳輸特性曲線

               MOS倒相器輸出電壓image.png與輸入電壓image.png之間的函數關系,稱為電壓傳輸特性。圖2-14為倒相器的電壓傳輸特性曲線示意圖。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              從圖中看到,當倒相器的輸入信號小于或等于image.png時,倒相器截止,輸出高電平image.png;當輸入信號大于image.png時,倒相器導通,輸出低電平image.png;當輸入信號image.pngimage.pngimage.png之間,則倒相器處于導通與截止的過渡區。

              一個具體MOS倒相器的電壓傳輸特性曲線,可以通過逐點測量每個輸入電壓image.png所對應的輸出電壓image.png,并作圖得到,也可通過圖示儀直接顯示出來。下面將分別分析飽和負我與非飽和負載倒相器的傳輸特性。

              (1)飽和MOS負載倒相器傳輸特性 

              這種倒相器中,負載管始終工作在飽和區,而輸入管根據不同的工作情況,既可工作在飽和區,也可工作在非飽和區。如果image.png,輸入管工作在飽和區;如果image.png,則輸入管工作在非飽和區。這里image.png為輸入管的閥值電壓,image.png。為了討論方便,先不考慮背面柵效應,故有VTL=VTI=VT。下面,我們從電流公式出發,來導出電壓傳輸特性的數學表達式,并作出歸一化傳輸特性曲線。

              當負載管和輸入管都處于飽和狀態,其電流表達式為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              因為通過倒相器兩個管子的電流相等(image.png),即:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              其中EMOS倒相器的靜態特性分析

              對上式用輸出最大電壓image.png進行歸一化,就得:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              很容易看出,這是一個直線方程,即image.pngimage.png的變化近似成線性關系。將(2-18)式對image.png求導數,就得到直線的斜率為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              于是得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              可見(2-15)式與外加電壓無關,僅與器件的幾何尺寸有關,所以,如從理論上求得了image.png的數值,即可求得輸入器件與負載器件的幾何尺寸比。當負載管工作在飽和區,輸入管工作在非飽和區的情況,其電流可寫為:

              image.png

              由于通過倒相器兩管的電流相等,image.png,可得到image.png關系方程式:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              將上式對最大輸出電壓image.png進行歸一化,得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              不難看出,這是一個曲線方程,即image.pngimage.png的變化呈非線性關系。

              方程(2-13)和(2-16)兩式,反映了歸一化的輸出電壓和輸入電壓的函數關系,對于系數image.png的某一個給定值,能夠把各種情況的歸一化輸出電壓image.pngimage.png及歸一化輸入電壓image.png的關系曲線作出圖來。

              歸一化輸入電壓云號若參數image.png取4,9,16,25,86,49,64七個值,就可以作出七根電壓傳輸特性曲線。E/E MOS靜態特性分析,如圖2-15所示。

              從圖中可以看出:

              ①飽和MOS負載倒相器輸出高電平,最大值是EMOS倒相器的靜態特性分析;

              image.png值增加使傳輸曲線更陡斜,輸出“0”電平更接近0V,電壓傳輸特性就愈好。

              實際的倒相器設計,就是根據輸入“1”電平情況下對輸出“0”電平的要求,從圖2-15求得導電因子的比βR,再算出兩器件的寬長比的比值,最后確定器件的尺寸。所以圖2-15又稱為比例設計曲線,對于倒相器設計是很有用的。

              例如設計一個共柵漏的MOS倒相器,其電源image.png,設計要求image.pngimage.png。當image.png時,image.png,求這個倒相器的image.pngimage.png。假定硅片電阻率為image.png

              解a.負載管的計算 負載管可根據功耗的要求進行計算。

              倒相器的靜態功耗image.png,功耗表達式中的電流是飽和負載條件下倒相器導通時的電流,即最大靜態電流image.png,這電流是受到負載器件的電阻限制的,所以image.png,即:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              式中image.png等于負載管的漏源電壓,如倒相器輸出低電平接近零伏時,則image.png;式中image.png在集成條件下應為image.png,這里暫不考慮背面棚效應的影響,仍用image.png。所以:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              于是得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              由于:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              得到:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              這里求得的負載器件(W/L)z是最大值。

              b、輸入MOS管計算 通常輸入MOS管是根據倒相器輸出低電平的要求來考慮的。為了應用圖2-15所示的設計曲線,需先求出歸一化輸出電壓和輸入電壓。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              查圖2-15,得image.png,即:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              因此:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              可?。?/span>

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              當然,理論計算是給我們指出一個方向,在實際的設計計算中還要根據具體情況來修正image.png值,以得到滿意的電路器件尺寸。

              (2)非飽和MOS負載倒相器傳輸特性 

              同飽和MOS負載的分析方法一樣,可先得到流過工作在非飽和區的負載管image.png的電流表達式。由于:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              所以:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              其中:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              m稱為偏置參數,它表明負載管深入非飽和區的程度。從(2-18)式看出,m值越大,越接近飽和,當m=1時,恰恰開始飽和,m越小,進入非飽和的程度越深。所以m值的范圍為0<m<1。下面再分析輸入MOS管的情況。image.png時,TI工作在飽和區,因此:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              image.png時,TI工作于非飽和區,因此:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              因為流過TI與TL的電流相等,所以TI工作在飽和區時,就有:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              TI工作在非飽和區時,就有:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              將(2-21)、(2-22)式作些變換,則TI在飽和區時image.pngimage.png之間的關系為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              這就是輸入管工作在飽和區時的非飽和MOS負載倒相器的傳輸特性方程,image.pngimage.png的變化近似為線性關系。TI在非飽和區時,image.pngimage.png的關系為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              這是輸入管工作在非飽和區時的非飽和MOS負載倒相器的傳輸特性方程,image.pngimage.png的變化呈非線性關系。E/E MOS靜態特性分析

              利用式(2-23)和式(2-24),對于不同的m值,可以作出m值從0.1到0.9的非飽和MOS負載倒相器的歸一化的理論傳輸特性曲線(圖2-16)。這些曲線可以用于設計。

              現將使用方法簡述如下:

              ①先確定偏置參數m的數值(反映非飽和深度)。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              ②確定歸一化輸出電壓和歸一化輸入電壓的數值,在相應的傳輸特性曲線上,查出對應的image.png值。

              ③再以查得的image.png值,確定器件的寬長比W/L。E/E MOS靜態特性分析

              3、噪聲容限 

              所謂“噪聲容限”,是指不破壞電路正常工作狀態,輸入端能承受的最大噪聲電壓。它表征電路抗干擾能力的大小。就是說,當輸入端有寄生信號(干擾電壓)時,電路能夠保證正常輸出的能力。倒相器的噪聲容限,可以從電壓傳輸特性曲線中估算出來,如圖2-17所示。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              圖中image.png稱為關門電平,image.png為開門電平。所謂關門電平,是指電路處于臨界截止時,輸出高電平的最小值image.png所對應的輸入電平;所謂開門電平,是指電路處于臨界導通時,輸出低電平最大值image.png所對應的輸入電平。

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              下面舉一個兩級互聯的共柵漏負載MOS倒相器電路的例子(見圖2-18)來說明噪聲容限的大小。

              如果兩級倒相器的負載器件和輸入器件的尺寸都一樣,它們的閥值電壓VT也相同,因此這兩級倒相器的傳輸特性曲線完全相同。從圖2-18看到,若要電路輸出“1”電平,即要求第二級倒相器Q2能夠可靠地處于截止狀態,就必須要求輸入低電平image.png。而輸入低電平image.png是第一級倒相器的輸出低電平image.png與噪聲電壓image.png的和,所以image.png。如果image.png,即image.png,就會破壞第二級倒相器Q2的截止態,使電路工作不正常??梢?,破壞第二級倒相器截止的干擾電壓值為image.png。因此,第二級倒相器截止的噪聲容限就是image.png。

              若要使第一級倒相器Q1能可靠地充分導通,必須要求輸入的“1”電平image.png,而image.png是第二級倒相器正常輸出的“1”電平。由于有于擾信號存在,輸入到第一級倒相器的信號image.png就可能會降低,使image.png。所以要保證第一級倒相器可靠導通的條件是:image.pngimage.png,而當image.png時,就可能破壞第一級倒相器Q1的正常工作??梢?,使倒相器不能可靠地導通的干擾電壓值是:image.png。因此,第一級倒相器的導通容限為:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              經過上面的分析,可以得出倒相器截止容限和導通容限的定義(參見圖2-17)。

              截止容限(也稱輸入低電平噪容)image.png。當輸入低電平時,保證電路不破壞截止狀態所能允許的最大輸入噪聲電壓為關門電平image.png與輸出低電平image.png之差:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              image.png愈大,電路的低電平抗干擾能力愈強。

              導通容限(也稱輸入高電平噪容)image.png。當輸入高電平時,保證電路不破壞導通時所能允許的最大輸入噪聲電壓為輸出高電平image.png與開門電平image.png之差:

              EMOS倒相器的靜態特性分析

              image.png愈大,電路的高電平抗干擾能力愈強。

              由此可見,要使電路有較強的抗干擾能力,必須有較低的image.png和較高的,要使image.png小,在設計中必須保證image.png。通常取倒相器的image.png在10~20倍范圍,若此值取得過小,電路的噪聲容限就小,抗干擾能力就變差。另外,要使電路具有良好的抗干擾能力,閥電壓image.png的大小要控制適當;取用較高的電源image.png,以提高image.png,這對提高抗干擾能力是有利的。E/E MOS靜態特性分析

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