第7章 MOS反相器.ppt

* * MOS反相器是MOS数字电路的最基本单元，它可分为静态反相器和动态反相器。 MOS静态反相器的一般形式如图所示，其中驱动元件通常是增强型N沟MOSFET；而负载元件可以是电阻(E／R反相器)、增强型MOSFET(E／E反相器)、耗尽型MOSFET(E／D反相器)或P沟MOSFET(CMOS反相器)。 按负载元件和驱动元件之间的关系则可分为有比反相器和无比反相器。 有比反相器在输出低电平时，驱动管和负载管同时导通，其输出低电平由驱动管的导通电阻RON和负载管的等效电阻REL的分压决定。为了保持足够低的低电平，两个等效电阻应保持一定的比值。 无比反相器在输出低电平时，只有驱动管导通，负载管是截止的，在理想情况下，其输出低电平等于零。 7.1 自举反相器 一、饱和E/E反相器 当Vi=0时，输入管截止，这时只有很小的泄漏电流流过负载管，VGSL=VDSL＝VTE，反相器处于关态，输出为高电平。 负载管的栅极和漏极相连，VGSL=VDSL，VGD＝0，故负载管始终工作在饱和区。 VO＝VDD－VTE 有阈值损失 当Vi =VDD高电平时，输入管导通，其漏源压降很小，故输入管工作在非饱和导通状态，反相器处于开态，输出为低电平。 二、自举反相器 自举反相器电路比饱和 E/E反相器增加了一个预充偏置管MB和自举电容CB。 假定反相器输入为高电平VDD，输出为低电平VOL，此时负载管栅极的预置电平为 因为ML管的栅极电流为0，MB源极电流也为0，故MB管的漏源电压为VTE。 自举电容两端的电压为 在输入电平由高变低时，因为电容CB两端的电压不能突变，所以，负载管的栅电位VGL随输出电压Vo同时上升，这就是自举效应。 在输入电平由高变低时，MB管处于截止态，CB上的电荷应保持不变，从而使VGSL不变。这样一来，在自举过程中，负载管ML就处在固定栅源偏置的工作状态。 由分析可见，自举效应是在输出电压上升过程中发生的，所以直流负载特性并不因“自举”而产生变化。 在开始时， ML管的栅比漏低一个开启电压，它处在饱和导通状态。 当输出电压上升到2倍VTE时，负载管的栅电压VGL便达到VDD+ VTE ，于是ML转入非饱和导通(vDS很小)，从而使输出高电平达到VDD ，消除了饱和E／E反相器输出高电平的阈值损失。 因为自举电容的大小对特性有很大影响，所以要合理选择。 7.2 耗尽负载反相器(E/D反相器) 负载管为耗尽型MOSFET，其栅源短接。 当E／D反相器输入低电平时，输出为高电平且VOH=VDD。 当输入高电平VDD时，驱动管可等效为电阻RE。在输出电压VO很小时，有 这时耗尽型负载管处在饱和状态，可以等效为恒流源，因此使充电过程加快。图中IL＝kLV2TD，于是可以求出输出低电平 7.3 CMOS反相器 一、CMOS反相器的直流特性 VTN是N型沟道器件的开启电压，VTP是P型沟道器件的开启电压。 VO=VDD B区：VTN≤ViVDD/2。P型器件工作在线性区，而N型器件处于饱和。反相器在该区的等效电路如图7.9所示，P型MOS管相当于一电阻，N型MOS管为一电流源。 C区：Vi＝VDD/2。在该区中N型和P型器件都处于饱和状态。 D区：VDD/2Vi≤VDD+VTP。在该区内P型器件处于饱和，N型器件工作在线性区，等效电路如图7.10所示。 E区： VDD+VTP ≤ Vi VDD，这时P型器件截止，N型器件工作在线性区，VO＝0。 在转换过程中，CMOS反相器中的两个MOS管都瞬时处于“导通”状态，这将引起从电源中抽出一个窄的电流脉冲，如图7.8中的虚线所示。 二、噪声容限 三、开关特性 在CMOS电路中，负载电容CL的充电和放电时间限制了门的开关速度。图7.12(a)示出一个常见的CMOS反相器，该反相器具有表示电容性负载的负载电容CL(由下一级的输入电容、本级的输出电容和连线电容组成)。 上升时间tr是波形从它的稳态值的10％上升到90％ 所需的时间； 下降时间tf是波形从它的稳态值的90％下降到10％所需的时间； 延迟时间td指输入电压变化到稳态值的50％的时刻和输出电压变化到稳态值的50％的时刻之间的时间差(延迟时间被认为是从输入到输出的逻辑转移时间)。 四、功耗 CMOS反相器的功耗P由两部分构成： (1)静态功耗：反向漏电流造成的功耗PD。 (2)动态功耗PS，它又由两部分组成： ①开关的瞬态电流造成的功耗PA； ②负载电容的充电和放电造成的功耗PT。 在输入为0时，NMOS管截止，PMOS管导通，输出电压是VDD或逻辑1；在输入为1时，NMOS管导通，PMOS管截止，输出电压是0V(VS