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              E/DMOS倒相器靜態分析及詳解

              信息來源: 時間:2020-11-2

              E/DMOS倒相器靜態分析及詳解

              1、輸出電壓討論

              倒相器輸出特性曲線上兩個工作點,A點(開態)所對應的為輸出低電平image.png,B點(關態)所對應的為輸出高電平image.png?,F在分別討論輸出高低電平的大小及其與器件參數的關系。

              (1)輸出高電平

              image.png 當倒相器截止時,輸出電壓image.png接近于image.png,這時負載管的image.pngimage.png,因此滿足image.png,負載管工作在非飽和區,其電流為:


              E/DMOS倒相器靜態


              因為:image.png

              上式改寫為:E/DMOS倒相器靜態

              由于輸入管截止,image.png,通過負載管的image.png也為0,所以便得到:


              E/DMOS倒相器靜態


              E/DMOS倒相器截止時,輸出高電平確實等于電源電壓E/DMOS倒相器靜態。


              (2)輸出低電平

              image.png當倒相器導通時,輸出低電平image.png,但并不等于image.png。這時負載管的image.png,滿足image.png,負載管工作在飽和區,其電流為:


              image.png


              而輸入管的image.png,滿足image.png,輸入管工作在非飽和區,其電流為:


              image.png


              因為image.png


              上式改寫為:


              image.png


              image.png,可以解得:


              image.png


              這就是倒相器導通時,輸出低電平image.png的表達式。它與器件參數image.png和工藝參數image.png有關。如image.png愈大,image.png愈小,則image.png愈接近于0。


              從上面分析看到,image.png倒相器的輸出高電平image.png接近電源電壓,輸出低電平image.png接近于0,所以輸出的電壓幅值較大,電源電壓得到充分利用,這是E/D MOS電路的一大優點。


              2、傳輸特性和噪聲容限

              (1)傳輸特性曲線

               圖2-35所示為E/DMOS倒相器的傳輸特性曲線,上面表示的各個參數,其意義與E/EMOS倒相器中的相同。


              E/DMOS倒相器靜態


              根據不同的工作狀態,可以把傳輸特性曲線分成三個不同的區域。為了討論清楚起見,我們先把這三個區域中負載管和輸入管的工作區域作一說明。大家知道,MOS管飽和區與非飽和區的分界線為:


              E/DMOS倒相器靜態


              對于E/DMOS倒相器的負載管,由于:


              E/DMOS倒相器靜態


              代入上式,得到E/D MOS倒相器負載管飽和區與非飽和區的分界線為:


              image.png


              image.png(分界線上面),負載管工作在非飽和區,若image.png(分界線下面),則負載管工作在飽和區。


              對于輸入管,飽和區與非飽和區的分界線為:


              E/DMOS倒相器靜態


              image.png時(分界線左上側),輸入管工作在飽和區;當image.png時(分界線右下側),輸入管工作在非飽和區。


              根據以上劃分,圖2-35中三個區城中倒相器兩個管子的工作狀態,就比較清楚了。在第I區中,負載管工作在非飽和區,輸入管工作在飽和區;在第II區域,負載管和輸入管都工作在飽和區;在第III區域,負載管工作在飽和區,輸入管工作在非飽和區域。


              現在,分別討論三個區域中倒相器的輸出電壓與輸入電壓的函數關系。


              第I區;當image.png,輸入管截止,通過輸入管的電流image.png,倒相器輸出為高電平image.png,即特性曲線的AB段。當image.png略大于image.png,輸出電壓開始下降,但仍滿足image.pngimage.pngimage.png的條件,即負載管工作在非飽和區,輸入管工作在飽和區。兩管的電流式分別為:


              E/DMOS倒相器靜態

              E/DMOS倒相器靜態


              image.png,可得到方程:


              image.png


              解此方程,可得:


              image.png


              image.png大于image.png不多時,滿足:

              image.png,則可利用級數展開近似式image.png,將(2-52)式簡化成:


              E/DMOS倒相器靜態


              可見,隨著image.png增大,輸入管的溝道增原,溝道電阻減小,所以,image.png很快下降,即為特性的image.png段。


              II區,image.png進一步增加,使輸入管和負載管都工作在飽和區,其電流分別為:


              E/DMOS倒相器靜態


              由方程E/DMOS倒相器靜態解得:


              image.png


              這是一條與縱軸平行的直線,即為特性曲線的image.png段。


              image.png就是從倒相器捷止的導通過聚的輸入電壓,這個電壓依賴于image.png,image.pngimage.png如器件幾何尺寸一定,則主要依賴于工藝參數image.png。


              第Ⅲ區輸入管處于非飽和區,負載管處于飽和區,其電流分別為:


              E/DMOS倒相器靜態


              E/DMOS倒相器靜態,得到方程:


              E/DMOS倒相器靜態


              解此方程,得:


              E/DMOS倒相器靜態


              E/DMOS倒相器靜態時,根式可用級數展開,近似化簡為:


              E/DMOS倒相器靜態


              從(2-56)式可以看到,隨著輸入電壓image.png的升高,輸出電壓緩慢下降,直至趨近于零;而且image.png小,image.png下降愈快,這就是特性曲線的DE段。


              從上面的討論看到,E/DMOS倒相器的傳輸性與器件的參數image.png和工藝參數image.png有密切的關系。


              圖2-36(a)表示image.png不同對傳輸特性的影響,從圖中看到,取image.png可得到良好的傳輸特性。


              圖2-36(b)表示image.png不同對傳輸性的影響,從圖中看到,image.png傳輸特性的影響特別顯著,image.png愈大,傳輸特性愈差,輸出低電平愈高。


              此外,負載管的image.png與增強型負載管的閥值電壓image.png一樣,要受到源極調制作用的影響,因此,在設計中,image.png是需要認真考慮的一個重要因素。


              E/DMOS倒相器靜態


              (2)噪聲容限


               要求得噪聲容限,必須先求得關門電平與開門電平的表達式。從圖,2-35中看到,image.png為規定的最小輸出高電平,它對應的輸入電壓就是關門電平。用image.pngimage.png分別代替(2-53)式中的image.pngimage.png就可求得關門電平:


              E/DMOS倒相器靜態


              同樣,可以看到,image.png為規定的最大輸出低電平,它對應的輸入電壓就是開門電平image.png,將image.pngimage.png分別代替(2-56)式中的image.pngimage.png,就得到開門電平:


              E/DMOS倒相器靜態


              于是,根據定義可寫出輸入低電平噪聲容限為:


              E/DMOS倒相器靜態


              輸出高電平噪聲容限為:


              E/DMOS倒相器靜態


              下面舉個例子,使大家對噪容的大小有個數量的概念。

              若有某個E/D MOS倒相器,其image.png,規定image.png。試求其噪聲容限。


              由(2-57)式算得:E/DMOS倒相器靜態

              由(2-58)式算得:E/DMOS倒相器靜態


              所以:


              E/DMOS倒相器靜態


              可見,噪聲容限可以達到電源電壓的35%以上。直流噪聲容限大,抗干擾能力強,這是E/DMOS倒相器的又一特點。


              還要強調指出,E/DMOS直流特性強烈地依賴于負載管的夾斷電壓image.png,例如輸出低電平image.png的大小,抗干擾性能的優劣,無不與image.png有直接關系,因此,image.png成為設計中的一個重要因素。為了保證輸出低電平的要求,并能減小晶片面積,可以不用增大輸入管的寬長比W/L,而采用減小image.png的方法來達到。


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