VLSI 设计 - MOS 逆变器

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逆变器确实是所有数字设计的核心。一旦清楚地了解了其操作和属性，设计更复杂的结构（例如与非门、加法器、乘法器和微处理器）就会大大简化。这些复杂电路的电气Behave几乎可以完全通过推断逆变器获得的结果来推导。

反相器的分析可以扩展到解释更复杂的门（例如 NAND、NOR 或 XOR）的Behave，这些门又构成乘法器和处理器等模块的构建块。在本章中，我们重点关注反相器门的一个具体化身，即静态 CMOS 反相器，或者简称 CMOS 反相器。这无疑是目前最受欢迎的，因此值得我们特别关注。

工作原理

理想逆变器的逻辑符号和真值表如下图所示。这里 A 是输入，B 是由它们的节点电压表示的反相输出。_{采用正逻辑时，逻辑1的布尔值用V dd}表示，逻辑0用0表示。V _th是逆变器阈值电压，即V _dd /2，其中V _dd是输出电压。

当输入小于 V _th时，输出从 0 切换至 V _dd。因此，对于 0<V _in <V _th输出等于逻辑 0 输入，V _th <V _in < V _dd等于反相器的逻辑 1 输入。

图中所示的特性是理想的。nMOS反相器的一般电路结构如下图所示。

从图中我们可以看出，反相器的输入电压等于nMOS晶体管的栅源电压，反相器的输出电压等于nMOS晶体管的漏源电压。nMOS的源极到衬底的电压也称为晶体管的驱动器，接地；因此V _SS = 0。输出节点与用于VTC 的集总电容连接。

阻性负载逆变器

阻性负载逆变器的基本结构如下图所示。这里，增强型nMOS充当驱动晶体管。负载由一个简单的线性电阻器 R _L组成。电路的电源为V _DD，漏极电流I _D等于负载电流I _R。

电路操作

当驱动晶体管的输入低于阈值电压V _TH (V _in < V _TH )时，驱动晶体管处于截止区域并且不传导任何电流。因此，负载电阻两端的压降为零，输出电压等于_VDD。现在，当输入电压进一步增加时，驱动晶体管将开始传导非零电流，nMOS 进入饱和区。

从数学上来说，

$$I_{D} = \frac{K_{n}}{2}\left [ V_{GS}-V_{TO} \right ]^{2}$$

进一步提高输入电压，驱动晶体管将进入线性区，驱动晶体管的输出减小。

$$I_{D} = \frac{K_{n}}{2}2\left [ V_{GS}-V_{TO} \right ]V_{DS}-V_{DS}^{2}$$

阻性负载逆变器的VTC如下图所示，表示驱动晶体管的工作模式和电压点。

N型MOSFET负载逆变器

使用MOSFET作为负载器件的主要优点是晶体管占用的硅面积小于电阻负载占用的面积。这里，MOSFET是有源负载，有源负载逆变器比阻性负载逆变器具有更好的性能。

增强负载NMOS

图中所示为两台带有增强型负载装置的逆变器。负载晶体管可以在饱和区或线性区工作，具体取决于施加到其栅极端子的偏置电压。饱和增强型负载逆变器如图2所示。（A）。它需要单一电压源和简单的制造工艺，因此V _OH被限制为V _DD - V _T。

线性增强型负载逆变器如图2所示。（二）。始终工作在线性区；因此V _OH电平等于V _DD。

与饱和增强型逆变器相比，线性负载逆变器具有更高的噪声容限。但是，线性增强型逆变器的缺点是，它需要两个独立的电源，并且两个电路的功耗都很高。因此，增强型逆变器并未用于任何大规模数字应用。

耗尽型负载 NMOS

增强型负载逆变器的缺点可以通过使用耗尽型负载逆变器来克服。与增强型负载逆变器相比，耗尽型负载逆变器需要更多的制造步骤来进行沟道注入来调整负载的阈值电压。

耗尽型负载逆变器的优点是——尖锐的VTC转换、更好的噪声容限、单电源和更小的总体布局面积。

如图所示，负载的栅极和源极端连接；因此，V _GS = 0。因此，负载的阈值电压为负。因此，

$$V_{GS,load}> V_{T,load}$$ 满足

因此，无论输入和输出电压电平如何，负载设备始终具有传导通道。

当负载晶体管处于饱和区时，负载电流由下式给出

$$I_{D,负载} = \frac{K_{n,负载}}{2}\left [ -V_{T,负载}\left ( V_{out} \right ) \right ]^{2}$ $

当负载晶体管处于线性区时，负载电流由下式给出

$$I_{D,负载} = \frac{K_{n,负载}}{2}\left [ 2\left | V_{T,load}\left ( V_{out} \right ) \right |.\left ( V_{DD}-V_{out} \right )-\left ( V_{DD}-V_{out} \right )^{2} \右]$$

耗尽负载逆变器的电压传输特性如下图所示 -

CMOS 逆变器 – 电路、操作和说明

CMOS反相器电路如图所示。这里，nMOS和pMOS晶体管用作驱动晶体管；当一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。

这种配置称为互补 MOS (CMOS)。输入连接到两个晶体管的栅极端子，以便两个晶体管都可以直接用输入电压驱动。nMOS 的衬底接地，pMOS 的衬底连接到电源V _DD。

因此两个晶体管的V _{SB = 0。}

$$V_{GS,n}=V_{in}$$

$$V_{DS,n}=V_{输出}$$

和，

$$V_{GS,p}=V_{in}-V_{DD}$$

$$V_{DS,p}=V_{out}-V_{DD}$$

当nMOS的输入小于阈值电压(V _in < V _TO,n )时，nMOS截止，pMOS处于线性区。因此，两个晶体管的漏极电流均为零。

$$I_{D,n}=I_{D,p}=0$$

因此，输出电压V _OH等于电源电压。

$$V_{输出}=V_{OH}=V_{DD}$$

当输入电压大于V _DD + V _TO,p时，pMOS 管处于截止区，nMOS 管处于线性区，因此两个管的漏极电流均为零。

$$I_{D,n}=I_{D,p}=0$$

因此，输出电压V _OL为零。

$$V_{输出}=V_{OL}=0$$

_{如果 V in} > V _TO并且满足以下条件，则nMOS 工作在饱和区。

$$V_{DS,n}\geq V_{GS,n}-V_{TO,n} $$

$$V_{输出}\geq V_{输入}-V_{TO,n} $$

_{如果 V in} < V _DD + V _TO,p并且满足以下条件，则pMOS 工作在饱和区。

$$V_{DS,p}\leq V_{GS,p}-V_{TO,p} $$

$$V_{输出}\leq V_{输入}-V_{TO,p} $$

对于不同的输入电压值，下面列出了两个晶体管的工作区域。

CMOS的VTC如下图所示 -