第5章MOS反相器.docx

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第5章MOS反相器

填空题

解答题

1、

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（即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值）。

?

【答案：

】

?

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Vgs

?

?

?

?

?

影响：

亚阈值导电会导致较大的功率损耗，在大型电路中，如内存中，其信息能量损耗可能使存储信息改变，使电路不能正常工作。

3、

MOS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响

?

【答案：

】

?

短沟道效应是指：

当MOS晶体管的沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应，栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，产生耗尽区电荷共享，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少的现象

?

?

?

?

?

影响：

由于受栅控制的耗尽区电荷不断减少，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低；沟道变短使得器件很容易发生载流子速度饱和效应。

4、

请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响

?

【答案：

】

?

对于PMOS晶体管，通常情况下衬底和源极都接最高电位，衬底偏压，此时不存在衬偏效应。

而当PMOS中因各种应用使得源端电位达不到最高电位时，衬底偏压>0，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加，即饱和区D和S之间电流源非理想。

6、

为什么MOS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：

】

?

Vin

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：

1）Vin

?

?

2）Vin=VOH=VDD时，Vout=VOL

MI：

VGS=Vin=VDD

VDS=Vout=VOL

∴VDS

MI非饱和导通

?

?

?

?

?

IR=（VDD-Vout）/RL=（VDD-VOL）/RL

?

IM=KN〔（VGS-VT0）VDS-1/2VDS2〕

?

=KN〔（VDD-VT0）VOL-1/2VOL2〕

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

∵IM=IR

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

VOL=VDD-VT0+1/KNRL-

为使VOL→0，要求KNRL?

>>1

为使VOL→0，要求KNRL>>1?

3）Vin=VIL时,MI：

VGS=Vin=VIL

VDS=Vout

∴VDS>VGS-VT0

MI饱和导通

?

?

?

?

?

IR=（VDD-Vout）/RL

IM=1/2KN?

（VGS?

-VT0）2

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

=1/2KN?

（Vin?

-VT0）2

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

∵IM=IR，对Vin微分，得：

?

?

-1/RL（dVout/dVin）=KN?

（Vin?

-VT0）

∵dVout/dVin=-1

∴VIL=Vin=VT0+1/KNRL

∴此时Vout=VDD-1/2KNRL

4）Vin=VIH时,MI：

VGS=Vin=VIH

VDS=Vout

∴VDS

MI非饱和导通

?

?

?

?

IR=（VDD-Vout）/RL

IM=KN〔（VGS-VT0）VDS-1/2VDS2〕

?

?

=KN〔（Vin-VT0）Vout-1/2Vout2〕

∵IM=IR，对Vin微分，得：

-1/RL（dVout/dVin）=KN〔Vout?

+（Vin-VTH）dVout/dVin-Vout（dVout/dVin）〕

∵dVout/dVin=-1

∴VIH=Vin=VT0+2Vout?

-1/KNRL

?

8、

考虑一个电阻负载反相器电路：

VDD=5V，KN`=20uA/V2，VT0=，RL=200KΩ，W/L=2。

计算VTC曲线上的临界电压值（VOL、VOH、VIL、VIH）及电路的噪声容限，并评价该直流反相器的设计质量。

?

【答案：

】

?

9、

设计一个VOL=的电阻负载反相器，增强型驱动晶体管VT0=1V，VDD=5V1）求VIL和VIH2）求噪声容限VNML和VNMH

?

【答案：

】

?

10、

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

?

【答案：

】

?

1）Vin=0时，MI截止

ML：

VDSL=VGSL=VDD-Vout=VDD-VOL

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

∴VDSL>VGSL-VTL?

?

?

?

ML始终饱和导通

Vout=VOH=VDD-VTL

2）Vin=VDD时，Vout=VOL

MI：

VGSI=Vin=VDD

VDSI=Vout=VOL

∴VDSI?

-VTI

MI非饱和导通

IDSI?

=KNI〔（VGSI-VTI）VDSI-1/2VDSI2〕

?

?

=KNI〔（VDD-VTI）VOL-1/2VOL2〕

IDSL=1/2KNL?

（VGSL?

-VTL）2

?

?

?

?

?

=1/2KNL?

（VDD-VOL-VTL）2

∵IDSI?

=IDSL

∴VOL?

=gmL（VDD?

-VTL）/2gmI

为使VOL→0，要求gmL<

传输特性曲线如图示：

13、

试比较将nMOSE/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：

】

?

1）Vin=0，ME截止

MD：

耗尽型负载管VTD<0，VGSD=0

∴VDSD=VDD-Vout=VDD-VOL>VGSD?

-VTD

MD?

始终饱和导通

∴Vout=VOH=VDD，改善了高电平传输特性

2）Vin=VDD，Vout=VOL

?

?

?

?

?

ME：

VGSE=Vin=VDD

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

VDSE=Vout=VOL

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

∴VDSE

?

?

?

?

?

MI非饱和导通

IDSE=KNE〔（VGSE-VTE）VDSE-1/2VDSE2〕

?

?

=KNE〔（VDD-VTE）VOL-1/2VOL2〕

IDSD=1/2KND?

（VGSD?

-VTD）2

?

?

?

?

?

=1/2KNDVTD2

∵IDSI?

=IDSL

∴VOL?

=VTD2?

KND/2KNE（VDD?

-VTE）?

?

?

?

低电平传输特性仍取决于两管尺寸之比

为使VOL→0，要求KND?

<

传输特性曲线如图示：

14、

耗尽型负载nMOS反相器相比于增强型负载nMOS反相器有哪些好处

?

【答案：

】

?

耗尽型负载nMOS反相器的制造工艺更加复杂，但可以有陡峭的VTC过渡和更好的噪声容限，并且是单电源供电，整体的版图面积也较小。

另外，在CMOS电路中使用耗尽型晶体管还能减少漏电流。

15、

有一nMOSE/D反相器，若VTE=2V，VTD=-2V，KNE/KND=25，VDD=2V，求此反相器的高、低输出逻辑电平是多少

?

【答案：

】

?

VOL?

=VTD2?

KND/2KNE（VDD?

-VTE）=

?

VOH?

=VDD=2V

16、

什么是CMOS电路简述CMOS反相器的工作原理及特点

?

【答案：

】

?

CMOS电路是指由NMOS和PMOS所组成的互补型电路。

对于CMOS反相器，Vin=0时，NMOS截止，PMOS导通，Vout=VOH=VDD；Vin=VDD时，NMOS导通，PMOS截止，Vout=VOL=0。

高低输出电平理想，与两管无关。

从对CMOS反相器工作原理的分析可以看出，在输入为0或VDD时，NMOS和PMOS总是一个导通，一个截止，没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，因而其静态电流和功耗几乎为0。

这也是CMOS电路最大的特点。

17、

根据CMOS反相器的传输特性曲线计算VIL和VIH

?

【答案：

】

?

1）Vin=VIL

MN：

VGSN?

=Vin=VIL

VDSN?

=Vout

∴VDSN>VGSN-VTN

MN?

饱和导通

IDSN?

=1/2KN（VGSN?

-VTN）2

?

=1/2KN（VIL-VTN）2

?

?

?

?

?

?

MP：

-VGSP?

=VDD?

-Vin=VDD?

-VIL

-VDSP?

=VDD?

-Vout

∴-VDSP?

<-VGSP?

–（-VTP）

MP非饱和导通

IDSP=KP〔（-VGSP-|VTP|）（-VDSP）-1/2（-VDSP）2〕

?

?

?

=KP〔（VDD-VIL?

-|VTP|）（VDD?

-Vout）-1/2（VDD?

-Vout）2〕

∵IDSN?

=IDSP，对VIL微分，得：

KP〔（VDD-VIL?

-|VTP|）（-dVout/dVin）+（-1）（VDD?

-Vout）-（VDD?

-Vout）（-dVout/dVin）〕

=KN（VIL-VTN）

∵dVout/dVin=-1

∴VIL=（2Vout+VTP-VDD+KRVTN）/（1+KR）?

?

其中KR?

=KN/KP

2）Vin=VIH

?

?

MN：

VGSN?

=Vin=VIH

VDSN?

=Vout

∴VDSN?

MN?

非饱和导通

?

IDSN=KN〔（VGSN-VTN）VDSN-1/2VDSN2〕

?

?

=KN〔（VIH-VTN）Vout-1/2Vout2〕

MP：

-VGSP?

=VDD?

-Vin=VDD?

-VIH

-VDSP?

=VDD?

-Vout

∴-VDSP?

>-VGSP?

–（-VTP）

MP饱和导通

IDSP?

=1/2KP（-VGSP?

-|VTP|）2

?

=1/2KP（VDD-VIH-|VTP|）2

∵IDSN?

=IDSP，对VIH微分，得：

KN〔（VIH-VTN）（dVout/dVin）+Vout-Vout（dVout/dVin）〕=KP（VDD-VIH-|VTP|）

∵dVout/dVin=-1

∴VIH=〔VDD+VTP?

+KR（2Vout?

+VTN）〕/（1+KR）?

?

其中KR?

=KN/KP

20.解：

Vin?

=VM，NMOS、PMOS均饱和导通

?

IDSN?

=1/2μNCOX（W/L）N（VGSN?

-VTN）2

=1/2KN（VM-VTN）2

IDSP?

=1/2μPCOX（W/L）P（-VGSP?

-|VTP|）2

?

=1/2KP（VDD-VM-|VTP|）2

由IDSN?

=IDSP得：

VM=（VDD+VTP+VTN?

）/（1+）?

?

?

其中KR?

=KN/KP

?

?

?

?

?

当工艺确定，VDD、VTN、VTP、μN、μP均确定

?

?

因而VM取决于两管的尺寸之比WN/WP

18、

根据CMOS反相器的传输特性曲线计算VIL和VIH

?

【答案：

】

?

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：

】

?

Vin?

=VM，NMOS、PMOS均饱和导通

?

IDSN?

=1/2μNCOX（W/L）N（VGSN?

-VTN）2

=1/2KN（VM-VTN）2

IDSP?

=1/2μPCOX（W/L）P（-VGSP?

-|VTP|）2

?

=1/2KP（VDD-VM-|VTP|）2

由IDSN?

=IDSP得：

VM=（VDD+VTP+VTN?

）/（1+）?

?

?

其中KR?

=KN/KP

?

?

?

?

?

当工艺确定，VDD、VTN、VTP、μN、μP均确定

?

?

因而VM取决于两管的尺寸之比WN/WP

20、

为什么的PMOS尺寸通常比NMOS的尺寸大

?

【答案：

】

?

1）电子迁移率较大，是空穴迁移率的两倍，即μN=2μP。

2）根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系VM∝WP/WN，在VM较大的取值范围中，WP〉WN。

21、

考虑一个具有如下参数的CMOS反相器电路：

VDD=VTN=VTP=KN=200uA/V2Kp=80uA/V2计算电路的噪声容限。

?

【答案：

】

?

KR=KN/KP=

CMOS反相器的VOL=0V，VOH=VDD=

?

?

?

?

?

?

VIL=（2Vout+VTP-VDD+KRVTN）/（1+KR）=?

=VIL时，有1/2KN（VIL-VTN）2=KP〔（VDD-VIL?

-|VTP|）（VDD?

-Vout）-1/2（VDD?

-Vout）2〕

Vout2+Vout?

=0

解得：

Vout?

=?

?

?

∴VIL=

VIH=〔VDD+VTP?

+KR（2Vout?

+VTN）〕/（1+KR）=Vout+

Vin?

=VIH时，有KN〔（VIH-VTN）Vout-1/2Vout2〕=1/2KP（VDD-VIH-|VTP|）2

+解得：

Vout=?

?

?

?

∴VIH=

∴VNML=VIL-VOL=

?

VNMH=VOH-VIH=

22、

采用工艺的CMOS反相器，相关参数如下：

VDD=NMOS：

VTN=μNCOX=60uA/V2（W/L）N=8PMOS：

VTP=μpCOX=25uA/V2（W/L）P=12求电路的噪声容限及逻辑阈值

?

【答案：

】

?

KR=μNCOX（W/L）N/μpCOX?

（W/L）P=

对于CMOS反相器而言，VOL=0V，VOH=VDD=

VIL=（2Vout+VTP-VDD+KRVTN）/（1+KR）=当Vin?

=VIL时，NMOS饱和导通，PMOS非饱和导通

由IDSN?

=IDSP得：

1/2KN（VIL-VTN）2=KP〔（VDD-VIL?

-|VTP|）（VDD?

-Vout）-1/2（VDD?

-Vout）2〕

Vout2+Vout?

=0

解得：

Vout?

=?

?

?

∴VIL=

同理，VIH=〔VDD+VTP?

+KR（2Vout?

+VTN）〕/（1+KR）=Vout+

当Vin?

=VIH时，PMOS饱和导通，NMOS非饱和导通

由IDSN?

=IDSP得：

KN〔（VIH-VTN）Vout-1/2Vout2〕=1/2KP（VDD-VIH-|VTP|）2

+解得：

Vout=?

?

?

?

∴VIH=

∴该CMOS反相器的噪声容限：

VNML=VIL-VOL=

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

VNMH=VOH-VIH=

23、

设计一个CMOS反相器，NMOS：

VTN=μNCOX=60uA/V2PMOS：

VTP=μPCOX=25uA/V2电源电压为，LN=LP=1）求VM=时的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：

】

?

24、

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VDD时，NMOS和PMOS总是一个导通、一个截止，没有从VDD到VSS的直流通路，也没有电流流入栅极，功耗几乎为0。

26、

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。

若希望tr=tf，求WN/WP。

?

【答案：

】

?

图中，导通延迟时间为tPHL，截止延迟时间为tPLH

延迟时间tpd=（tPHL+tPLH）/2

?

?

?

上升时间tr=2CL/KNVDD?

?

?

?

?

?

?

?

KN=μNCOX（W/L）N

?

?

?

下降时间tf?

=2CL/KPVDD?

?

?

?

?

?

?

?

KP=μPCOX（W/L）P

?

?

?

若希望tr=tf，则要求WP=2WN

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