电阻负载MOS倒相器工作原理及倒相器性能的影响

信息来源: 时间:2020-10-28

电阻负载MOS倒相器工作原理及倒相器性能的影响

MOS集成电路,目前应用广泛,品种很多,发展了许多复杂功能的大规模集成电路。各种具体的逻辑电路,虽然功能各有差异,各具有一定的特殊性,但都可以将任何复杂的 MOS电路分解为最基本的倒相器电路。电阻负载MOS管。因此将倒相器的原理、特性分析清楚,便可解决电路在设计中所遇到的普遍问题。

MOS倒相器根据电路结构形式和制造工艺不同,可以分成四种类型。

①电阻负载MOS倒相器这种倒相器

它的输入管是增强型MOS管,负载是一个线性电阻。

②E/EMOS倒相器这种倒相器

输入器件和负载器件均为增强型MOS管,称为增强型-增强型MOS倒相器。如按不同的沟道,又可分为PMOS和NMOS倒相器。

③E/DMOS倒相器这种倒相器

输入器件为增强型MOS管,负载器件为耗尽型MOS管,所以称为增强型-耗尽型MOS倒相器。这种倒相器,多数为N沟道器件,也可以用P沟道制造。

④CMOS倒相器这种倒相器

由两种不同沟道的MOS管串联组成。或者是增强型的NMOS管作输入器件,PMOS作负载,或者是增强型的PMOS作输入器件而用NMOS作负载。这种倒相器称为互补倒相器。

这四种倒相器有一个共同特点,其输入器件都是增强型的MOS管。

本章主要讲述E/EMOS、E/DMOS、CMOS倒相器的工作原理以及由这些倒相器分别组成的门电路。

图2-1是一个以电阻RL为负载的倒相器电路。它的输入管是一个N沟道增强型MOS管image.png,负载是一个纯电阻RL。电阻负载MOS管。输入管的源极接地,负载电阻RL一端接管子的漏极,另一端接电源VDD。用输入管的栅极作为输入端,输入信号用电阻负载MOS倒相器(即VGS)表示,输出端由漏与电阻的联结处取出,输出信号用电阻负载MOS倒相器(即VDS)表示。

电阻负载MOS倒相器

一、电阻负载MOS倒相器工作原理

下面我们来说明它的工作原理。当输入“1”电平,例如image.png,因为image.png,所以使输入MOS管充分导通。由于MOS管的导通电阻远比负载电阻RL小,所以在MOS管上的电压降很小,即输出“0”电平(image.png)。相反,如果输入为“0”电平(接地),因为image.png,输入MOS管截止,沟道电阻远比纯电阻RL大,所以输出就变为“1”电平(V。≈ VDD)。输入MOS的两个状态,可用图2-2中MOS管的两根输出特性曲线表示出来。电阻负载MOS管。其中靠近电压坐标轴的一条直线,表示输入MOS管截止时的输出特性曲线,上面一条,表示输入MOS管导通时的输出特性曲线。图2-3为倒相器输入波形与输出波形的对应关系,表示倒相器具有倒相的功能。

image.png

二、负载线与工作点

所谓负载线,是指倒相器的输出电压Vo与工作电流IDS的函数关系。当输入器件充分导通时,倒相器负载电阻上的电压降为:

电阻负载MOS倒相器

由于此时输出电压image.png=0,所以IDSRL=VDD。因此:

image.png

如果当电阻负载MOS倒相器,输入管处于截止状态,即IDS≈0,所以:

image.png

于是,可根据(2-2)式和(2-3)式,在输出特性曲线的坐标轴上作出两点,一点为image.png,另一点为image.png连接这两点的一条直线就中是倒相器的负载线。它与输入管的输出特性曲线相交于A、B两点,就是倒相器处于开和关的两个工作点。

A点是倒相器的开态,B点是倒相器的关态。与A、B两点相对应的电压Vo,就是输出的低电平与高电平。从图上看到,输出电压的范围近似在0~VDD之间;可见电阻性负载倒相器的输出电压摆幅是比较大的。

三、不同负载对倒相器性能的影响

倒相器的性能与负载RL值大小的关系,可由图2-4表示出来。图中为负载电阻RL不同的倒相器输出特性曲线。从这个曲线上明显看到,当RL增大时,负载线向横轴靠近,开态工作点向原点靠近,使得输出“0”电平更接近0V,倒相器的工作电流也愈小,这是我们所希望的。因为实际应用总希望输出“0”电平愈接近0V愈好,倒相器的功耗也愈小愈好。从图中可以看到RL=120kΩ要比RL=20kΩ的倒相器性能好得多,小于20kΩ的RL是不实用的。

image.png

实际上,采用电阻作负载器件的倒相器,要制造集成化的MOS电路是有困难的。电阻负载MOS管。因为要采用扩散电阻或薄膜电阻都存在一定的问题。电阻负载MOS倒相器

采用扩散电阻作负载,有三个缺点:

①用扩散技术制作高阻值的电阻,成品率低;

②占用晶片面积大,无法提高集成度;

③扩散电阻面积大,扩散结与衬底之间的分布电容也很大,影响电路的开关速度。

所以在MOS集成电路中,一般都不用纯电阻作负载,而是采用MOS管作为负载,称为负载管。

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