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              CMOS倒相器瞬態響應分析及詳解

              信息來源: 時間:2020-11-5

              CMOS倒相器瞬態響應分析及詳解

              CMOS倒相器瞬態響應


              從分析單溝道MOS倒相器的瞬態特性知道,組成倒相器的MOS管本身的頻率響應是比較快的。在實際的電路中,影響電路開關速度的主要因素是輸入端的負載電容image.png上及MOS器件對這些電容充放電能力的大小。


              CMOS倒相器瞬態響應


              圖2-48為一個CMOS倒相器中存在著各種寄生電容示意圖,這里用一個總的有效負載電容image.png來表示。


              CMOS倒相器瞬態響應


              式中image.png為輸入電容,包括柵源電容、柵image.png漏電容;image.png表示輸出電容,包括漏一襯底結電容及封裝布線等雜散電容。系數image.png表示驅動image.png個相同的倒相器。


              在討論CMOS倒相器的開關特性時,仍假定輸入電壓為理想的階躍波。


              1、下降時間(導通時間)CMOS倒相器瞬態響應 


              CMOS倒相器的下降時間的分析方法,與E/EMOS的分析方法是一樣的。當輸入從“0”跳變到“1”(設輸入“1”電平等于image.png),倒相器要實現“0”電平輸出,image.png必須經過輸入管的飽和區和非飽和區放電,如圖2-47(a)所示。放電軌跡如圖2-47(b)所示。


              CMOS倒相器瞬態響應


              (1)飽和區放電時間


              image.png,輸入管工作在飽和區。由于負載管截止,可以忽略負載管電流image.png。根據image.png(飽和),得到方程:


              CMOS倒相器瞬態響應

              用分離變量法積分。在這段放電時間里,電壓從image.png下降到image.png(飽和區與非飽和區的分界點)。


              CMOS倒相器瞬態響應


              這就是CMOS倒相器導通時,負載電容image.png經工作在飽和區的輸入管放電所需的時間。


              其中:


              CMOS倒相器瞬態響應


              稱為時間常數。


              image.png,可算得:


              CMOS倒相器瞬態響應


              (2)非飽和區放電時間


              image.png時,輸入管工作在非飽和區,放電軌跡對應非飽和區的一段曲線。同樣,可根據image.png,得到方程:


              CMOS倒相器瞬態響應


              用分離變量法積分。在這段放電時間里,輸出電壓從image.png下降到image.png,即輸出“0”電平。


              image.png


              利用積分公式:


              CMOS倒相器瞬態響應


              得到:


              CMOS倒相器瞬態響應


              這就是倒相器負載電容image.png經工作在非飽和區的輸入管放電所需的時間。

              image.png,可算得CMOS倒相器瞬態響應。


              (3)下降時間image.png的表達式


               CMOS倒相器的下降時間應為飽和區放電時間和非飽和區放電時間之和:


              CMOS倒相器瞬態響應


              若寫成歸一化電壓的形式,則下降時間可表示為:


              image.png


              從式(2-82)可以看出,CMOS倒相器的下降時間image.png與負載電容成正比,image.png愈大,放電時間意長,與輸入管的溝道寬長比(W/L)N,成反比,(W/L)N小,輸入管的等效電阻意大,放電時間就愈長。


              2、上升時間(截止時間)CMOS倒相器瞬態響應


              當CMOS倒相器輸入由“1”跳變到“0”,電路由導通轉變為完全截止。為達到“1”電平image.png輸出,導通的負載管必須對電容image.png充電,如圖2-48所示。


              CMOS倒相器瞬態響應


              與分析下降時間的方法相同,得到時間常數和下降時間的表達式為:


              CMOS倒相器瞬態響應


              寫成歸一化的上升時間為:


              CMOS倒相器瞬態響應


              從式(2-86)看出,CMOS倒相器的上升時間image.png與負載電容image.png成正比,與負載管的溝道寬長比image.png成反比。


              由于CMOS倒相器在導通或截止時,總有一個管子截止,一個管子導通。所以,負載管的溝道尺寸可不受功耗的限制。因此,負載管和輸入管溝道的寬長比可設計得差不多大小。


              這樣,可使電容image.png充電和放電的時間差不多,上升時間和下降時間也近似相等。這與單溝道MOS倒相器的情況是不同的。


              式(2-82)和(2-86)是在輸入為階躍波情況下導出的。歸一化上升或下降時間與歸一化的閥值電壓之間的關系,可用圖2-49表示出來。由于兩個表達式完全是對稱的,所以橫軸表示image.png時,縱軸就表示歸一化下降時間,如橫軸表示CMOS倒相器瞬態響應時,縱軸就表示歸一化上升時間。


              CMOS倒相器瞬態響應


              從圖看出,閥值電壓愈大,開關時間意慢,image.png超過電壓關系0.3時,開關時間隨閥值電壓的增加而顯著增加。


              為了對CMOS倒相器的開關時間有個定量的概念,這里舉一個例子。


              假設CMOS倒相器的總負載電容image.png分別測得飽和電流image.png,求倒相器的開關時間。由于:


              CMOS倒相器瞬態響應


              3、雙門延遲時間CMOS倒相器瞬態響應


              由于倒相器的輸出信號不僅具有一定的上升和下降時間,而且相對于輸入信號有一定的時間延遲,稱為延遲時間。圖2-50(a)所示為多級倒相器,即使第一級輸入一個階躍電壓信號,但經過若干級之后,其波形也不會保證為階躍信號了。這樣一個非階躍信號驅動下一級倒相器時,顯然其延遲時間會更長一些。


              所謂雙門延遲時間,是指輸入電壓經過兩級倒相器以后相應的50%幅度的時間間隔,稱“對”延遲時間,其近似表達式為:


              CMOS倒相器瞬態響應

              CMOS倒相器瞬態響應


              此式在image.png,即近似匹配的情況下才適用。用這一式子計算image.png,誤差不大于10%。


              由圖2-30可看出:要使”image.png短,必須使倒相器的上升和下降時間都短。上升時間主要與負載管有關,下降時間主要與輸入管有關。如果上升時間很短,下降時間很長,顯然并不能使雙門延遲時間縮短,相反,如下降時間很短,上升時間很長,也不能使”??s短。要使image.png最短的條件一定要滿足image.png,且兩者都很小。為了滿足這個要求,倒相器的參量必須滿足近似公式:


              CMOS倒相器瞬態響應


              若兩管完全對稱,顯然image.png,是最佳開關響應條件。若image.png,則電路的開關性能將變壞。隨著image.png的減小,開關響應更趨惡化。詳見圖2-51,圖中分別給出了image.png時,image.pngimage.png的關系。當image.png減小時,由于負載管的跨導減小,PMOS負載管對image.png的充電時間變長,使image.png同時,隨著閥電壓的增高image.png增加,所以導致image.png增加。因此在速度設計上,強調image.png,和閥值電壓要小是很重要的。如image.png很小時,負載管image.png的增加將對image.png的影響起主要的作用。因為image.png增大,負載管導通困難,致使image.png增大,所以開關特性變差,延遲時間變長。


              CMOS倒相器瞬態響應


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