CMOS倒相器的直流傳輸特性和噪聲容限

CMOS倒相器的傳輸特性

一、直流傳輸特性和噪聲容限

CMOS傳輸特性 

大家知道，倒相器的傳輸特性曲線，可以從倒相器兩個管子的電流方程出發(fā)，導(dǎo)出輸入電壓與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系式，從而作圖得來。

為了討論方便起見，我們先對負(fù)載管與輸入管工作于飽和區(qū)或排飽和區(qū)的條件作些說明。圖2-40的標(biāo)出了負(fù)最管與輸入管的電壓偏置。CMOS倒相器的傳輸特性

從圖中看到，對于輸入管（NMOS），其工作狀態(tài)處于飽和區(qū)和非飽和區(qū)的分界線為：

其中

當(dāng)時，NMOS工作在非飽和區(qū)；時，則工作在飽和區(qū)。

對于負(fù)載管PMOS，其工作狀態(tài)處于飽和區(qū)和非飽和區(qū)的分界線為：

其中

當(dāng)時，PMOS工作在非飽和區(qū)，時，則工作在飽和區(qū)。

因此，可以寫出兩器件在兩種狀態(tài)下的電流公式：

可見，當(dāng)從0V上升至時，負(fù)載管與輸入管將處于不同的工作狀態(tài)，因面倒相器的輸出電壓也隨之變化。為了直觀起見，我們先舉一個輸入電壓從0V上升到10V的實(shí)際例子，來說明輸出電壓隨輸入電壓的變化關(guān)系。CMOS倒相器的傳輸特性這里假定兩個管子完全對稱，具有，當(dāng)輸入電壓從0V上升到10V時，輸入管和負(fù)載管的工作狀態(tài)和輸出電壓的變化，可分為五個區(qū)域來討論。

第I區(qū)城：，輸入管截止；而，負(fù)載管導(dǎo)通。

這時Ip=0，輸出電壓，如圖2-41（a）所示。

第II區(qū)域：，輸入管導(dǎo)通，工作在飽和區(qū)；同時，，負(fù)載管也導(dǎo)通，工作在非飽和區(qū)。這時，，輸出電壓滿足：，如圖2-41（b）所示。

第III區(qū)域：當(dāng)，仍有，輸入管與負(fù)載管都導(dǎo)通，并且都工作在飽和區(qū)。這時Ip最大，Vo急劇下降，稱這個區(qū)域?yàn)楦咴鲆鎱^(qū)（又稱轉(zhuǎn)換區(qū)）。這時對應(yīng)的輸入電壓稱為轉(zhuǎn)換電平，用表示，如圖2-41（c）所示。

第IV區(qū)域：時，，輸入管導(dǎo)通，工作在非飽和區(qū)，同時，，負(fù)載管也導(dǎo)通，工作在飽和區(qū)，比時有所下降，輸出電壓滿足。如圖2-41（d）所示。

第V區(qū)域：，輸入管導(dǎo)通，但，負(fù)載管截止；這時，如圖2-41（e）所示。

根據(jù)上述輸出特性的各個工作點(diǎn)，可以作出對應(yīng)的關(guān)系曲線，如圖2-42所示，即為CMOS倒相器的傳輸特性。

以上分析結(jié)果雖然是從對稱性互補(bǔ)管子的簡化條件下得到的，但可以對倒相器整個工作過程有個全面的了解。CMOS倒相器的傳輸特性對于非對稱特性器件（即）組成的倒相器的傳輸特性，需要從電流方程出發(fā)，得到一般性的表達(dá)式。

由圖2-40中看到，通過負(fù)載管和輸入管的電流是相等的，即：

在I區(qū)內(nèi)：因?yàn)檩斎牍芙厣?，由?img src="/userfiles/images/2020/11/04/2020110415526902.png" title="image.png" alt="image.png"/>

即：

所以：

在II區(qū)內(nèi)：PMOS工作在非飽和區(qū)，NMOS工作在飽和區(qū)。因?yàn)?/span>

所以：

經(jīng)過整理后，可以求得：

在III區(qū)內(nèi)：PMOS和NMOS均工作在飽和區(qū)。

所以：

經(jīng)過整理，可解得：

若在理想情況下，兩管完全對稱，有

在TV區(qū)內(nèi)：PMOS 工作在飽和區(qū)，NMOS工作在非飽和區(qū)，所以根據(jù)的關(guān)系，可以求得：

在V區(qū)內(nèi)：因?yàn)樨?fù)載管截止，由于

所以：

通過上面的分析可以看出，CMOS倒相器具有以下幾個特點(diǎn)：

?邏輯擺幅 大高電平可達(dá)，低電平可近似為0。這樣，電源電壓得到充分利用，可以利用較低的電源電壓。

?轉(zhuǎn)換區(qū)的電壓增益高 當(dāng)轉(zhuǎn)換電平為時，輸出電壓下降很快，因此可以容許較大的噪聲電壓，抗干擾性能較好。

?功耗低無論是輸出高電平或低電平時，兩個管子總有一支處于截止?fàn)顟B(tài)，電源和地之間沒有直接通路，而只有PN結(jié)的漏電流通過。CMOS倒相器的傳輸特性因此工作電流Io是很小的，近似為零。所以，CMOS靜態(tài)功耗是極低的，一般在nW數(shù)量級。正因?yàn)槿绱?，CMOS電路也稱為微功耗電路。

CMOS噪聲容限 

在CMOS電路中，為了設(shè)計方便，一般使用最大噪聲容限的定義。它是以直流傳輸特性曲線與直線的交點(diǎn)所對應(yīng)的輸入電壓，分別與電源和零電位之差，來代表高、低電平的噪聲容限。由于MOS倒相器在轉(zhuǎn)換區(qū)具有十分高的電壓增益，所以交點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓就是轉(zhuǎn)換電平，如圖2-43所示。

低電平最大噪聲容限：

高電平直流噪聲容限：

從圖2-43上看到，最大噪聲容限顯然比過去定義的指定噪聲容限和要大，只有在傳輸特性成為理想的特性曲線時，兩者才近似相等。

根據(jù)最大噪聲容限的定義知道，要得到較大的噪聲容限，決定于轉(zhuǎn)換電平的大小。所以必須對轉(zhuǎn)換電平中各個因素對傳輸特性的影響作一些討論。

對（2-68）式中的各參數(shù)，都對進(jìn)行歸一化，引入歸一化參量。令：

為歸一化轉(zhuǎn)換電平

，為歸一化PMOS管的閥值電壓

，為歸一化NMOS管的閥值電壓

PMOS管對NMOS管的k因子比

于是（2-68）式寫成歸一化形式

若兩管對稱，即，可以得到理想的最大噪聲電壓為1。

實(shí)際上，不等于，也不等于，所以，使噪聲容限減小。圖2-44表示不同的對傳輸特性的影響，圖2-45表示兩管閥值電壓不同對傳輸特性的影響。CMOS倒相器的傳輸特性設(shè)計中，在的情況下，為了使盡可能接近1/2，往往采用調(diào)節(jié)的大?。凑{(diào)節(jié)兩管的幾何尺寸比）來達(dá)到。

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