CMOS倒相器工作原理及電壓傳輸特性詳細分析

MOS倒相器的工作原理

在單一襯底上可集成的最簡單的倒相器就是增強型MOS負載倒相器，它的驅(qū)動器件和負載器件均為增強型MOS，所以制造工藝比較簡單。增強型MOS負載常處于導通狀態(tài)，就其工作區(qū)域的不同又可分為飽和區(qū)和非飽和區(qū)，分別稱為飽和負載倒相器和非飽和負載倒相器。而E/D MOS和CMOS倒相器的制造工藝雖然復雜，卻換來良好的電路性能。

1-2-1 飽和負載倒相器的轉(zhuǎn)移特性

飽和負載倒相器的負載器件是工作在飽和區(qū)的n溝增強型MOS，通常是用柵極和漏極相連來實現(xiàn)，其電路圖見圖1-2-1。由于負載器件Ti的柵極和漏極短接，并與電源VDD連接，負載管的柵源電壓與漏源電壓相等，即VDSL=VGSL，所以對負載管而言，總是滿足條件VDSL>VGSL-VT_L（其中VT_L，為負載管的開啟電壓），即在漏端附近的硅表面不可能形成反型層，因此負載管始終工作在飽和區(qū)。與電阻負載倒相器相比，飽和負載倒相器的負載器件不是純電阻，而是一個非線性電阻；而且負載管由原來的三端元件成為兩端元件。

CMOS倒相器

（一）工作原理

負載管在飽和區(qū)工作，T_L的電流與電壓關(guān)系滿足飽和區(qū)的MOS管電流方程，而且T_L的柵漏極短接，所以得到下列關(guān)系：

CMOS倒相器

IDSL與VDSL間為平方關(guān)系。又因為VDSL=VDD-Vo即Vo=VDD-VDSL，因此（1-21）式又可寫成

CMOS倒相器

（1-2-2）式就是飽和負我倒相器的負載線方程，圖1-2-2a則是飽和負載倒相器的負載線。把負載線和驅(qū)動器件的輸出特性曲線兩者畫在一起，得圖1-2-2b。

當?shù)瓜嗥鰿MOS倒相器的輸入電壓為低電平，驅(qū)動管T1截止，僅有微小的反向電流流過，驅(qū)動管的漏漂電流近似為零。負載線與驅(qū)動管載止時的曲線交點小為關(guān)態(tài)工作點，A點對應的都出電壓為高電平VoH，高電平VoH近似等于（VDD-VT_L）。

當相器的輸入電壓為高電平（其值為VDD-VT_L），驅(qū)動管T1充分導通，電源電壓VDD大部分降落在負載管的兩端。負載線與驅(qū)動管導通時的曲線交點B為開態(tài)工作點，B點對應的輸出電壓為低電平VOL，低電平VOL的大小與驅(qū)動管的導電因子β1及負載管的導電因子βL有關(guān)。β1越大，βL越小，則VOL越小，正如圖1-2-2b中的虛線所示的B'點。由于虛線的A.小于實線的A，所以B'點對應的低電平Va小于B點對應的Vm。MOS管的導電因子β主要與其寬長比（W/L）有關(guān)，為得到較低的VOL，負載管TL，的寬長比（W/L）應該較小，驅(qū)動管T1的寬長比（W/L）應該較大。

CMOS倒相器

（二）電壓傳輸特性（電壓轉(zhuǎn)移特性曲線）

靜態(tài)工作點只討論開態(tài)和關(guān)態(tài)兩種狀態(tài)，即輸入是高電平或者是低電平兩種情況下的輸出狀態(tài)。若輸入電壓值在高電平和低電平之間時，輸出是何種狀態(tài)呢？電壓傳輸特性曲線給出了各種輸入電壓值下的輸出電壓大小。因此，所謂電壓傳輸特性曲線是指輸入電平V1和輸出電平Vo之間的關(guān)系曲線，如圖1-2-3所示。

電壓傳輸特性曲線可由下列方法推出：

（1）寫出負載器件的電流方程。

（2）當輸入電壓值從0伏逐漸上升到VDD，驅(qū)動器件先后處于截止區(qū)、飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個不同的工作狀態(tài)，分別寫出驅(qū)動器件在各個不同工作狀態(tài)下的電流方程。

（3）根據(jù)圖1-2-1的電路圖，令驅(qū)動器件的電流等于負載器件的電流。由于這個等式是輸入電壓及輸出電壓的函數(shù)，故它就是電壓傳輸特性方程。

（4）根據(jù)電壓傳輸特性方程，得到輸入電壓值從0伏上升到VDD所對應的輸出電壓數(shù)據(jù)，并畫出電壓傳輸曲線。用計算機模擬的方法繪出電壓傳輸特性曲線自然是最簡便的，但它的計算方法和步驟與上述一致。

飽和負載倒相器的負載器件的電流方程由（1-2-2）式的負載線方程給出。

而驅(qū)動器件的電流方程需分區(qū)域考慮后給出：

（1）0<Vi<V1；時，驅(qū)動器件工作在截止區(qū)域，其電流方程為：

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