基于伏安特性方程的CMOS数字电路电压传输特性研究.docx

PAGE 1 - 基于伏安特性方程的CMOS数字电路电压传输特性研究 基于伏安特性方程的CMOS数字电路电压传输特性讨论 9416〔2021〕01-0090-04 半导体集成电路技术进步快速，集成电路的应用领域近年来也更是快速地融入到人工智能、5G、云计算和物联网等领域。而在半导体集成电路的诸多类型中，尤以CMOS集成电路独占鳌头。CMOS的英文全称是ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即互补金属氧化物半导体。在该型电路中，利用N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管的互补关系，使这类集成电路具备了功耗低、开关速度快、抗干扰能力强、电源电压适应范围宽等一系列独特的优点。因此，被广泛用于制作大规模和超大规模集成电路，例如微处理器〔CPU〕、数字信号处理器〔DSP〕以及大规模数字规律等。即使进入到当前，即半导体工艺技术进入了纳米级别，然而CMOS电路的规律结构形式几乎仍没有转变。而基于器件伏安特性方程且能定量地给出CMOS电路的电压传输特性的函数表达式，对于正确理解电路的工作过程，电路的高电平VOH、低电平VOH的数值改变和电路单元器件的版图设计等均有重要的现实意义。 1CMOS反相器及其工作原理 在CMOS电路规律中，通常只使用电子沟道的增添型NMOS晶体管与空穴沟道的增添型PMOS晶体管。而CMOS最基本的规律结构形式即是反相器，如图1所示。 在图1中，TN称为驱动晶体管，TP称为负载晶体管，它们的栅极连接到一起，并作为Vi，漏极也连接到一起并作为Vo，TN源极接地，TP源极接电源+VDD。下面先简要分析一下它的工作原理。考虑到后续伏安特性的表达，将CMOS反相器重绘如图2所示，图中器件带有各自电流电压的参考方向。 1.1电路导通态 当Vi接高电平且VOH=VDD时，即有Vi=VDD，〔设VDD=5V〕，则有下式成立：式〔1〕中，TN的阈值电压VTN，满足。此时，输入管TN导通。另一方面，作为负载管的TP，满足：式〔2〕中，TP管的阈值电压VTP0V，且有，因此，TP截止。 依据串联电路分压原理，此时输出端电平，即，反相器输出低电平近似为0V，一般晶体管截止时，仍存在肯定的漏电流。 1.2电路截止态 当Vi输入低电平且VOL=0V时，则有下式成立此时，TN截止。而与此同时，负载管TP的栅源电压则满足因此，TP导通。同样地依据分压原理，此时输出电平为。 综上所述，即电路处于导通态时，输出低电平;而当电路处于截止态时，则输出高电平，TN、TP处于互补工作状态。 2CMOS反相器的电压传输特性曲线 电压传输特性反映了电路输出电压随输入电压之间的改变关系，而描述这种改变关系的函数曲线也称为电压传输特性曲线，即存在函数Vo=f〔Vi〕。针对CMOS反相器电路，假设在空载条件或是连接同类型的CMOS门的情形下，通过晶体管工作状态的转换的定性推断，可初步得出Vo=f〔Vi〕曲线的大致形态。如图3所示。 图3的电压传输特性曲线中，输入电压Vi的改变范围为0～VDD。在横坐标上，可以确定五个点，即0，VTN，Vi*，及VDD，而分别对应图3中五段曲线，从曲线①～曲线⑤。下面运用MOS管伏安特性来分析对应每段曲线的函数关系。 2.1曲线①段 对应曲线①段，Vi的改变范围为0≤ViVTN，此时TN截止，而TP则导通且处于线性工作区。因此，电路输出端Vo为高电平，且有 2.2曲线②段 如图2所示，随着输入电压Vi的提高，即满足Vi≥VTN，此时TN逐步导通，其漏源电阻也相应减小，反相器的输出电压Vo也将逐步降低。为得到Vo～Vi间的函数关系，需要先分析TN与TP的伏安特性方程，并获得它们与变量Vo、Vi之间的数量关系。 2.2.1驱动管TN的输出伏安特性方程 结合图2中，TN的伏安特性方程为：代入，则有 2.2.2负载管TP的输出伏安特性方程 考虑到PMOS管伏安特性方程的表达习惯，即它的电流电压的实际方向与参考方向相反，有如下的表达式〔8〕、〔9〕由〔8〕、〔9〕两式，可得：由〔10〕式，有即同理，有因此通过变换，使得描述TP管的伏安特性方程，其电流电压的实际方向与参考方向一致起来，从而有助于联立方程的求解。〔12〕与〔13〕式所表达的TP的输出伏安特性曲线如图4所示。 考虑到TP的电流电压方向与参考方向一致后，其对应在CMOS反相器中的表达如图5所示。 2.2.3负载线方程 分别代入，到上述〔12〕、〔13〕式，可得CMOS反相器的负载线方程，如〔14〕、〔15〕式。 2.2.4曲线②段函数式的求解 由CMOS反相器工作状态分析得知，曲线②段所对应的工作点Q说明反相器的TN工作于饱和态，而TP则工作于线性区，从而由上述〔7〕式与〔14〕式，组成如下联立方程 由圖5，利用，可求得Vo～Vi的函数关系为