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(gè)管子的電流方程出發(fā)，導(dǎo)出輸入電壓與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，從而作圖得來(lái)。

為了討論方便起見，我們先對(duì)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(shuō)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(duì)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(shí)，NMOS工作在非飽和區(qū)；時(shí)，則工作在飽和區(qū)。

對(duì)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(shí)，PMOS工作在非飽和區(qū)，時(shí)，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(shí)，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(gè)輸入電壓從0V上升到10V的實(shí)際例子，來(lái)說(shuō)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(gè)管子完全對(duì)稱，具有，當(dāng)輸入電壓從0V上升到10V時(shí)，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(gè)區(qū)域來(lái)討論。

第I區(qū)城：，輸入管截止；而，負(fù)載管導(dǎo)通。

這時(shí)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(shí)，，負(fù)載管也導(dǎo)通，工作在非飽和區(qū)。這時(shí)，，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(shí)Ip最大，Vo急劇下降，稱這個(gè)區(qū)域?yàn)楦咴鲆鎱^(qū)（又稱轉(zhuǎn)換區(qū)）。這時(shí)對(duì)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(shí)，，輸入管導(dǎo)通，工作在非飽和區(qū)，同時(shí)，，負(fù)載管也導(dǎo)通，工作在飽和區(qū)，比時(shí)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(shí)，如圖2-41（e）所示。

根據(jù)上述輸出特性的各個(gè)工作點(diǎn)，可以作出對(duì)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(duì)稱性互補(bǔ)管子的簡(jiǎn)化條件下得到的，但可以對(duì)倒相器整個(gè)工作過(guò)程有個(gè)全面的了解。CMOS倒相器的傳輸特性對(duì)于非對(duì)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(guò)負(fù)載管和輸入管的電流是相等的，即：

在I區(qū)內(nèi)：因?yàn)檩斎牍芙厣希捎?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(guò)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(guò)整理，可解得：

若在理想情況下，兩管完全對(duì)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(guò)上面的分析可以看出，CMOS倒相器具有以下幾個(gè)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(shí)，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(wú)論是輸出高電平或低電平時(shí)，兩個(gè)管子總有一支處于截止?fàn)顟B(tài)，電源和地之間沒(méi)有直接通路，而只有PN結(jié)的漏電流通過(guò)。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(jí)。正因?yàn)槿绱耍珻MOS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(jì)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(duì)應(yīng)的輸入電壓，分別與電源和零電位之差，來(lái)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(duì)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(guò)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(shí)，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(duì)轉(zhuǎn)換電平中各個(gè)因素對(duì)傳輸特性的影響作一些討論。

對(duì)（2-68）式中的各參數(shù)，都對(duì)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(duì)NMOS管的k因子比

于是（2-68）式寫成歸一化形式

若兩管對(duì)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(duì)傳輸特性的影響，圖2-45表示兩管閥值電壓不同對(duì)傳輸特性的影響。CMOS倒相器的傳輸特性設(shè)計(jì)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(lái)達(dá)到。

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