第5章MOS反相器讲解

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1、填空题 解答题请给出NMOS晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情1、况下是提高阈值还是降低阈值）。【答案：】公式：VT-2厂苴中：a血为了洎除半导体和工雇的功函数差，金扈电根相对于半导萍所需要加的外加电压I 一般惜况下，金屣功函数值比半号体的炎他一般为负-心2空卩是开始出现强反型时半导体表面所需的表面势 也就是跨在空间电荷区上的电压降口对于 os数值为正心殳是为了支撑半导悴恙面出现强反型所希要的悻电荷所斋要的外抑电压-1c-OK于NMOS藪值対正心空題是为了把纯竦层中正电荷垸出的电力敎全部吸引到金屋电极一側所需加的外协电压，对于绝媒层中的正电荷，需要加

2、负电環麒拉到平带一般尙负口存门-是汨了调节餌値电压而注次的电莅产生的哉响，对于NIvIOS iiA P型杂质，为正值-心2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响【答案：】器件的亚阈值特性是指在分析MOSFET时，当Vgs0,源与衬底的PN结反偏，耗尽 层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。影响：使得PMOS阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。5、什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响【答案：】MOS晶体管存在速度饱和效应。器件工作时，当漏源电压增大时，实际的反型层沟道长度逐渐减小， 即沟道长度是漏源电压的函数，这一效

3、应称为沟道长度调制效应”。影响：当漏源电压增加时，速度饱和点在从漏端向源端移动，使得漏源电流随漏源电压增加而增 力口，即饱和区D和S之间电流源非理想。6、为什么M0S晶体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）【答案：】晶体管开通后，其漏源电流随着漏源电压而变化。当漏源电压很小时，随着漏源电压的值的增大，沟 道内电场强度增加，电流随之增大，呈现非饱和特性；而当漏源电压超过一定值时，由于载流子速度 饱和（短沟道）或者沟道夹断（长沟道），其漏源电流基本不随漏源电压发生变化，产生饱和特性。7、给出E/R反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算VTC曲线上的临界电压值【答案：】Vj

4、nVT0时，MI处于截止状态，不产生任何漏极电流。随着输入电压增加而超过VT0时，MI开始导通, 漏极电流不再为0由于漏源电压VDS=Vout大于Vin- VT0，因而MI初始处于饱和状态。随着输入电 压增加，漏极电流也在增加，输出电压Vout开始下降，最终，输入电压大于Vout+ VT0, MI进入线性 工作区。在更大的输入电压下，输出电压继续下降，MI仍处于线性模式。传输特性曲线如图示：2） V = V =V 时 V =Vin OH DD 时，Vout OLM ： V =V =VI： VGS in DDV =V =VDS out OL V 1Vol=Vdd- R 助十lnCyRt-十血 N

5、艮L* -却口口 虑为使 VOL-0，要求 KNRL 13) Vin = VIL 时，Mi： VGs = Vin = ViLVDS = VoutVdsVgs%M饱和导通Ir=(Vdd-%)/RlIm/2 Kn(Vgs - Vto)2= 1/2 KN(Vin - VT0)2*IM = IR，对 Vin 微分，得：-1/RL(dVout/dVin)= KN(Vin - VT0)dVout/dV-1ViL=Vin = VTO+1/KNRL此时 Vout = VDD-1/2KNRL4) Vin = VIH 时，Mi： VGS = Vin = VIHVDS = Vout VDS 鞍低的悟号噪声容限应至

6、零盜耳dd的1旧即VnrrW时取lV-屮设计一个V0L=0.6V的电阻负载反相器，增强型驱动晶体管VTO=1V, VDD=5V 1)求VIL和VIH 2)求9、噪声容限VNML和VNMH【答案：】dp-Vio+I/KhRl-亦/DD刀TCi+1 底N艮L0卽DD-.Vto+1/KIW佔+ 待莎丽7 -1/K诅产玄1 Vp而 Vq VnD: 瞄 HUL !L-VQL=a 5V +-1 tiMEn- oh- 丁才9V10、采用MOSFET作为nMOS反相器的负载器件有哪些优点【答案：】采用负载电阻会占用大量的芯片面积，而晶体管占用的硅片面积通常比负载电阻小，并且有源负载反 相器电路比无源负载反相器

7、有更好的整体性能。11、增强型负载nMOS反相器有哪两种电路结构？简述其优缺点【答案：】根据给增强型负载提供不同的栅极偏压，负载晶体管可以工作在饱和区或线性区。饱和增强型负载反相器只要求一个独立的电源和相对简单的制造工艺，并且Voh限制在Vdd-Vtl。而线性增强型负载反相器的VOH= VDD，噪声容限高，但需要使用两个独立的电源。由于二者的直流功耗较高，大规模的数字电路均不采用增强型负载nMOS反相器。12、以饱和增强型负载反相器为例分析E/E反相器的工作原理及传输特性1)V =0 时,inM截止IM : V = V =V -V =V -VL DSL GSL DDout DDOL.V V -

8、VDSL GSL TLM始终饱和导通LV = V = V -Vout OH DD TL2)V = V 时，in DD=Vout OLM: V =V =VI GSI in DDV =V =VDSI out OL.V VDSIGSIM非饱和导通I-VTII =DSIK (V -NIGSI=K (V -NIDDI =1/2 K (VDSLNL GSL1/2V 2DSIV )V -TI DSIV ) V - 1/2V 2TI OLOL-V)2TL=1/2 K (V - V -V )2NL DD OL TLVI= IDSIDSL.V=g (VOLmL DDTL为使V 0,要求g OLmL-V )/2gm

9、lgmI13、试比较将nMOS E /E反相器的负载管改为耗尽型nMOSFET后，传输特性有哪些改善【答案：】D屮G Mdh yput1) V =0, M 截止inEM :耗尽型负载管V V 一 VDSD DD out DD OL GSDTDM 始终饱和导通D.V =V = V，改善了高电平传输特性out OH DD2)V = V ， V = Vin DD out OLM：V =V =VE GSE in DDV =V =V DSE out OL.V V -VDSE GSE TEM非饱和导通II = K (V - V )V - 1/2V 2DSENEGSETEDSEDSE=K(V -V ) V

10、-1/2V 2NEDDTEOLOLI =1/2 KDSDND(VGSD一 V)2TD=1/2 K V 2ND TD.T= IDSIDSL.V = V 2 K /2 K (V - V )低电平传输特性仍取决于两管尺寸之比OLTDNDNE DDTE为使V -0,要求K V -DSN GSNM饱和导通N一 V )2TNI =1/2 K (VDSNN GSN=1/2K (V - V)2N IL TNM : - V = V V = V VPGSPDDin DDIL-V = V - VDSPDDout.- V 一 VDSPGSPM饱和导通PI =1/2 K(-VDSPP GSP=1/2K(V -V -|V

11、P DD IH TP(-VTP)TP|VTP|)2TP|)2VI = I，对V微分，得:DSNDSPIHK(V -V ) (dV /dV )+V -V N IH TNout inVdV /dV =-1out in.V =V +V +K(2VIH DD TP R out20.解：V(dVout out out/dVin)=K(V -V -|V |)P DD IHTP=V，NMOS、in MI =1/2 卩 C (W/L) (VDSNN OXN GSN=1/2K(V- V )2N M TNI =1/2 卩 C (W/L) (-VDSPP OXP GSP=1/2K(V -V-|V |)2P DD M

12、 TP由 I = I 得：V=(V +V +VDSNDSPM DD TP TN当工艺确定，V、V、V、DD TN TP+V ) /(1+K ) TN RPMOS均饱和导通其中KR=K/KNP- V )2TN|VTP|)2TP)/(1+ )其中KR=K/KNP卩、卩均确定NP因而V取决于两管的尺寸之比W /WMN P18、根据CMOS反相器的传输特性曲线计算VIL和VIH【答案：】隔；V gsn = &= VmVtu-mMn饱和导通屮=1 阴ViL- Vt沪Mp： - Vgsp = Vdd -弧=Vdd - Vil-sp =- Xfja*-1-Vdsp 丁懸j型铲加 二听尸( Vdd+Vtt+V

13、tnJ )心+忆讪其.中 心=心心19、求解CMOS反相器的逻辑阈值，并说明它与哪些因素有关【答案：】V =V，NMOS、PMOS均饱和导通inMI =1/2卩 C (W/L) (V 一 V)2DSNN OXN GSNTN=1/2K (V- V )2N M TNI =1/2卩 C (W/L) (-V- |V |)2DSP P OX P GSP TP=1/2K(V-V-|V|)2P DD M TP由 I = I 得：V=(V +V +V )/(1+ )其中 K =K/KDSN DSP M DD TP TN R N P当工艺确定，V、V、V、卩、卩均确定DD TN TP N P因而V取决于两管的尺

14、寸之比W /WM N P20、为什么的PM0S尺寸通常比NM0S的尺寸大【答案：】1) 电子迁移率较大，是空穴迁移率的两倍，即卩=2卩。NP2) 根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系V*W/W，在V较大的取值范围中，WW。M P NMP N考虑一个具有如下参数的 CMOS 反相器电路：VDD=3.3V VTN=0.6V VTP=-0.7V KN =200uA/V2 Kp=80uA/V221、计算电路的噪声容限。答案：】K=K/K=2.5RNPCMOS 反相器的 V =0V，V =V =3.3VOLOH DDV =(2VILout+V-V+KV)/(1+K)=0.57V -0.71out TP DD

15、R TNRV=inV 时，有 1/2K (V - V)2=K(V - VILN IL TN P DD IL-|VTP|)(V - V ) - 1/2( V - V )2DDoutDDout0.66 V 2+0.05 Voutout-6.65=0解得：V =314Vout.V =1.08VILV =V+V+K(2VIH DD TP Rout+V )/(1+K)=1.43TNRV +1.17outV=inV 时，有 K(V -IHN IHV) V - 1/2TN outV2out=1/2K(V-V-|V |)2P DD IH TP2.61V 2+6.94V -2.04=0outout解得：V =0

16、.27Vout.V=1.55VIH.V =V-V=1.08VNML IL OLV =V-V=1.75VNMH OH IH采用 0.35um 工艺的 CMOS 反相器,相关参数如下：VDD=3.3V NMOS： VTN=0.6V uNCOX =60uA/V2 (W/L)N=822、PMOS：VTP=-0.7V upCOX =25uA/V2 (W/L)P=12 求电路的噪声容限及逻辑阈值【答案：】K= uC(W/L)/uC (W/L) =1. 6R N OXN p OXP对于CMOS反相器而言，V =0V，V =V =3.3VOLOH DDV =(2V +V-V +KV)/(1+K)=0.77V

17、-1.17IL out TP DD R TNRout当V = V时，NMOS饱和导通，PMOS非饱和导通 inIL由【dsn =幕得:1/2K(V- V)2=K(V- V -|V |)( V - V ) - 1/2( V - V )2N IL TN P DD ILTPDDoutDDout2.04 V 2+8.30 V -44.90=0outout解得：V =3.077VAV =1.2VoutIL同理，V =V +V +K （2V +V ）/（1+K）=1.23 V +1.37IHDD TPR outTNRout当V = V时，PMOS饱和导通，NMOS非饱和导通inIH由I = I得：DSND

18、SPK（V - V ） V - 1/2 V 2=1/2K （V -V -|V |）2NIH TN outoutP DD IH TP5.53V 2+24.62V -6.15=0outout解得：V =0.24VAV =1.66VoutIH.该CMOS反相器的噪声容限：V =V -V =1.2VNML IL OLV =V -V =1.64VNMH OH IH逻竭國佰:应）/（1+ 应设计一个 CMOS 反相器，NMOS：VTN=O.6V uNCOX=6OuA/V2 PMOS： VTP=-0.7V uPCOX=25uA/V2 电源电23、压为3.3V, LN=LP=0.8um 1）求VM=1.4V时

19、的WN/WP。2）此CMOS反相器制作工艺允许VTN、VTP的 值在标称值有正负15%的变化，假定其他参数仍为标称值，求VM的上下限。【答案：】1）2验十2% 陋）址十一匝 M即p艮瓦）/（1+ 离瓦艸解得戈=2.22）V3R . Un在标称值有正负1瑠的变化屮RU 也昭司.5IVVjj=0.69V艮昨4和刃必T丸那2*唤F m+甲T.2即护k M1 +济R ）= 1和轉7 efWe十眄异tJ曲显襄富）心十朋艮）=1.4?6V24、举例说明什么是有比反相器和无比反相器【答案：】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导通电阻和负载管导 通电阻的分压决定。为保持足够

20、低的低电平，两个等效电阻应保持一定的比值。当驱动管为增强型N 沟MOSFET，负载管为电阻或增强型MOSFET或耗尽型MOSFET时，即E/R反相器、E/E反相器、E/D反相 器属于有比反相器。而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，理想情况下，输出低电平为0。当 驱动管为增强型N沟MOSFET，负载管为P沟MOSFET时，即CMOS反相器即属于无比反相器，具有理想的输入低电平0。25、以CMOS反相器为例，说明什么是静态功耗和动态功耗【答案：】对于CMOS反相器，静态功耗是指当输入为0或V时，NMOS和PMOS总是一个导通、一个截止，没有DD从V到V的直流通路，也没有电流流入栅极，功耗几乎为0。DDSS在图中标注出上升时间tr、下降时间tf、导通延迟时间、截止延迟时间，给出延迟时间tpd的定义。26、若希望tr=tf，求WN/WP。【答案：】图中，导通延迟时间为t，截止延迟时间为tPHLPLH延迟时间t =(t +t )/2pd PHL PLHK = u C (W/L)N N OXNK = u C (W/L)P P OXP上升时间t =2C /KVr L N DD下降时间t =2C /K VfL P DD若希望t =t，则要求W=2Wr fP NGO TOP