E/EMOS倒相器工作原理及倒相器性能的影響

E/EMOS倒相器工作原理

一、工作原理

在E/EMOS倒相器電路中，負(fù)載管通常有兩種偏置狀態(tài)。一種是柵漏共接電源VDD，稱為飽和型MOS負(fù)載；另一種是柵單接電源，稱為非飽和MOS負(fù)載。這兩種負(fù)載M0S晶體管的連接方法，示于圖2-5中。下面分別討論這兩種倒相器的工作原理。

1、飽和MOS負(fù)載倒相器

（1）負(fù)載管的I-V特性 

在圖2-5（a）中的TL是柵漏共接的MOS負(fù)載器件，它和上面講的純電阻負(fù)載不同，是一個(gè)隨著源極電壓不同而變化的可變電阻。由于VDD=，VDS，所以滿足。因此，它總是工作在飽和區(qū)。另外，我們可以看到，負(fù)載管的源電壓Vs是變化的，因此會(huì)使柵偏壓VGS也跟著變化，從而溝道電阻也跟著變化，這就是柵偏壓VGS受源極電壓VS的調(diào)制作用。圖2-6（a）所示為對(duì)溝道調(diào)制的截面示意圖。

當(dāng)負(fù)載MOS品體管的源電壓增加時(shí)，引起柵源電壓VGS變小，使得溝道變薄，溝道電阻增大，從而電流Ios也逐漸變小。圖2-6（b）是共柵漏MOS負(fù)載的I-V特性曲線。可以看到，Vs=0時(shí)，VDD最大，所以Im也最大，當(dāng)Vs增大時(shí)，VGS變小，Ios逐漸減?。划?dāng)a增加到等于VDD-VT，這時(shí)VGS-VT，負(fù)載管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，因此IDS≈0。

從共都漏負(fù)我管的I-V特性曲線上看到，它的I-V特性是一條曲線，表明負(fù)載管是一個(gè)可變電阻，當(dāng)Vs由0V變到VDD-VT時(shí)，其阻值越來(lái)越大。

（2）倒相器工作點(diǎn)

飽和負(fù)載MOS倒相器的倒相原理，與上述電阻負(fù)載倒相器的原理是相同的。當(dāng)輸入“1”電平時(shí)（），輸入MOS管導(dǎo)通。其實(shí)這時(shí)的負(fù)載管也是導(dǎo)通的，但由子輸入管”，的導(dǎo)通電阻設(shè)計(jì)得比負(fù)載管的通導(dǎo)電阻小得很多，電源電壓VDD絕大部分降落在負(fù)載管TL上，所以輸出電壓為“0”電平。

當(dāng)輸入為“0”電平時(shí)，輸入MOS管完全截止，其截止電阻很大，電源電壓大部分降落在上，所以輸出為“1”電平。這時(shí)負(fù)載管上，處于微導(dǎo)通狀態(tài)。輸入管截止和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)的兩根輸出特性曲線在圖2-8中表示出來(lái)。如把負(fù)載管的I-V符性曲線（即為負(fù)載線）與輸入管的兩條輸出特性曲線迭加起來(lái)，得到倒相器的輸出特性曲線和兩個(gè)工作點(diǎn)A和B，其中A為開(kāi)態(tài)工作點(diǎn)，表示倒相器導(dǎo)通狀態(tài)，輸出“0”電平；B為關(guān)態(tài)工作點(diǎn)，表示倒相器截止?fàn)顟B(tài)，輸出“1”電平。

綜上所述，飽和M0S倒相器，只用一個(gè)電源，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用比較方便。但由于輸出最大電壓只能達(dá)到VDD-VTL，比電源電壓低一個(gè)圈值電壓的數(shù)值，而且VS不直接接地，出于背面柵效應(yīng)，VT的數(shù)值要增大，降低了輸出電壓幅度。如果要求輸出較高的高電平。就得提高電源電壓，產(chǎn)生不必要的電源損失；而且，由于負(fù)載管工作在飽和區(qū)，當(dāng)輸出接近高電平值時(shí)，負(fù)載教管臨近截止?fàn)顟B(tài)，電阻變得很大，對(duì)電路速度不利，這在下面還要分析。

2、非飽和MOS例相器 

上面講到，飽和負(fù)載MOS倒相器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有明顯的缺點(diǎn)。為了改進(jìn)倒相器的性能，提高輸出電壓幅度和工作速度，可將倒相器負(fù)載管的柵極單獨(dú)接一個(gè)電源VGS，使負(fù)載管工作在非飽和區(qū)。這種倒相器稱為非飽和負(fù)載MOS倒相器，如圖2-9所示。

為使負(fù)載管工作在非飽和區(qū)，必須滿足：

由于：

因此：

即

這就是說(shuō)，要使負(fù)載管工作在非飽區(qū)，的取值至少要比VDD高一個(gè)閥值電壓

與前面分析飽和負(fù)載MOS倒相器的方法相同，將負(fù)載管的I-V特性與輸入管導(dǎo)通、截止兩個(gè)狀態(tài)的輸出特性迭加起來(lái)，就得到倒相器的輸出特性曲線和兩個(gè)工作點(diǎn)A和B。如圖2-10所示。A為開(kāi)態(tài)工作點(diǎn)；B為關(guān)態(tài)工作點(diǎn)。由于負(fù)載管始終工作在非飽和區(qū)，溝道電阻很小，，所以輸出高電平近似等于VDD。

綜上所述，非飽和MOS負(fù)載倒相器有以下的特點(diǎn)：負(fù)載管始終工作在非飽和區(qū)，阻值較小，有利于提高工作速度；輸出擺幅較大，最大輸出電壓可達(dá)到電源電壓VDD；但由于增加一個(gè)電源，增加了線路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；況且功耗較大，輸出低電平的數(shù)值稍有提高。

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