第5章MOS反相器.docx

1、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

2、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

3、算VTC曲线上的临界电压值【答案：】VinVT0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：1）VinVT0时，MI截止，Vout= VOH= VDD 2）Vin= VOH=VDD时，Vout=VOLMI：VGS=Vin=VDDVDS=Vout=VOLVDS1为使

4、VOL0，要求KNRL 13）Vin=VIL时, MI：VGS=Vin=VILVDS=VoutVDSVGS-VT0MI饱和导通 IR=(VDD-Vout)/RLIM=1/2 KN(VGS- VT0)2 =1/2 KN(Vin- VT0)2 IM=IR，对Vin微分，得： -1/RL(dVout/dVin)= KN(Vin- VT0)dVout/dVin=-1VIL=Vin=VT0+1/KNRL此时Vout=VDD-1/2KNRL4）Vin=VIH时, MI：VGS=Vin=VIHVDS=VoutVDSVGSL-VTLML始终饱和导通Vout= VOH= VDD-VTL2）Vin= VDD时，V

5、out=VOLMI：VGSI=Vin=VDDVDSI=Vout=VOLVDSI VGSI-VTIMI非饱和导通IDSI= KNI(VGSI- VTI)VDSI- 1/2VDSI2 = KNI(VDD- VTI) VOL- 1/2VOL2IDSL=1/2 KNL(VGSL- VTL)2=1/2 KNL(VDD- VOL-VTL)2IDSI= IDSLVOL=gmL(VDD- VTL)/2gmI为使VOL0，要求gmL gmI传输特性曲线如图示：13、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：】1）Vin=0，ME截止MD：耗尽型负载管VTD V

6、GSD- VTDMD始终饱和导通Vout= VOH= VDD，改善了高电平传输特性2）Vin= VDD，Vout= VOLME：VGSE=Vin=VDDVDSE=Vout=VOLVDSEVGSE-VTEMI非饱和导通IDSE= KNE(VGSE- VTE)VDSE- 1/2VDSE2 =KNE(VDD- VTE) VOL- 1/2VOL2IDSD=1/2 KND(VGSD- VTD)2=1/2 KNDVTD2IDSI= IDSLVOL= VTD2KND/2 KNE(VDD- VTE) 低电平传输特性仍取决于两管尺寸之比为使VOL0，要求KNDVGSN- VTNMN饱和导通IDSN=1/2 KN

7、(VGSN- VTN)2=1/2KN(VIL- VTN)2MP：- 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)2IDSN= IDSP，对VIL微分，得：KP(VDD- VIL-|VTP|)(-dVout/dVin)+(-1) ( VDD- Vout)- ( VDD- Vout) (-dVout/dVin)=KN(VIL-

8、VTN)dVout/dVin=-1VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR) 其中KR=KN/KP2）Vin= VIHMN：VGSN= Vin= VIHVDSN= VoutVDSN - VGSP(-VTP)MP饱和导通IDSP=1/2 KP(-VGSP- |VTP|)2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)2IDSN= IDSP，对VIH微分，得：KN(VIH-VTN) (dVout/dVin)+Vout-Vout(dVout/dVin)=KP(VDD-VIH-|VTP|)dVout/dVin=-1VIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN) /(1+KR) 其

9、中KR=KN/KP20. 解：Vin=VM，NMOS、PMOS均饱和导通IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN- VTN)2=1/2KN(VM- VTN)2IDSP=1/2PCOX(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、N、P均确定 因而VM取决于两管的尺寸之比WN/WP18、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，

10、NMOS、PMOS均饱和导通IDSN=1/2NCOX(W/L)N(VGSN- VTN)2=1/2KN(VM- VTN)2IDSP=1/2PCOX(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、N、P均确定 因而VM取决于两管的尺寸之比WN/WP20、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N=2P。2）根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系VMWP/WN，在VM较大的取值范围中，WPWN

11、。21、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/V2 计算电路的噪声容限。【答案：】KR=KN/KP=2.5CMOS反相器的VOL=0V，VOH=VDD=3.3V VIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=0.57Vout-0.71Vin= VIL时，有1/2KN(VIL- VTN)2=KP(VDD- VIL-|VTP|)( VDD- Vout) - 1/2( VDD- Vout)20.66 Vout2+0.05 Vout-6.65=0解得：Vout=3.14V VIL

12、=1.08VVIH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN) /(1+KR)=1.43 Vout+1.17Vin= VIH时，有KN(VIH- VTN) Vout- 1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)22.61Vout2+6.94Vout-2.04=0解得：Vout=0.27V VIH=1.55VVNML=VIL-VOL=1.08VVNMH=VOH-VIH=1.75V22、采用0.35um工艺的CMOS反相器，相关参数如下：VDD=3.3V NMOS：VTN=0.6V NCOX =60uA/V2 (W/L)N=8 PMOS：VTP=-0.7V pCOX =25uA/

13、V2 (W/L)P=12 求电路的噪声容限及逻辑阈值【答案：】KR= NCOX(W/L)N/pCOX(W/L)P=1.6对于CMOS反相器而言，VOL=0V，VOH=VDD=3.3VVIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+KR)=0.77Vout-1.17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)22.04 Vout2+8.30 Vout-44.90=0解得：Vout=3.077V VIL=1.2V同理，V

14、IH=VDD+VTP+KR(2Vout+VTN) /(1+KR)=1.23 Vout+1.37当Vin= VIH时，PMOS饱和导通，NMOS非饱和导通由IDSN= IDSP得：KN(VIH- VTN) Vout- 1/2 Vout2=1/2KP(VDD-VIH-|VTP|)25.53Vout2+24.62Vout-6.15=0解得：Vout=0.24V VIH=1.66V该CMOS反相器的噪声容限：VNML=VIL-VOL=1.2V VNMH=VOH-VIH=1.64V23、设计一个CMOS反相器， NMOS：VTN=0.6V NCOX=60uA/V2 PMOS：VTP=-0.7V PCOX

15、=25uA/V2 电源电压为3.3V，LN=LP=0.8um 1）求VM=1.4V 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

16、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/KNVDDKN=NCOX(W/L)N 下降时间tf=2CL/KPVDDKP=PCOX(W/L)P 若希望tr=tf，则要求WP=2WNGO TOP