E/DMOS倒相器静态分析及详解

信息来源: 时间:2020-11-2

E/DMOS倒相器静态分析及详解

1、输出电压讨论

倒相器输出特性曲线上两个工作点,A点(开态)所对应的为输出低电平image.png,B点(关态)所对应的为输出高电平image.png。现在分别讨论输出高低电平的大小及其与器件参数的关系。

(1)输出高电平

image.png 当倒相器截止时,输出电压image.png接近于image.png,这时负载管的image.pngimage.png,因此满足image.png,负载管工作在非饱和区,其电流为:


E/DMOS倒相器静态


因为:image.png

上式改写为:E/DMOS倒相器静态

由于输入管截止,image.png,通过负载管的image.png也为0,所以便得到:


E/DMOS倒相器静态


E/DMOS倒相器截止时,输出高电平确实等于电源电压E/DMOS倒相器静态


(2)输出低电平

image.png当倒相器导通时,输出低电平image.png,但并不等于image.png。这时负载管的image.png,满足image.png,负载管工作在饱和区,其电流为:


image.png


而输入管的image.png,满足image.png,输入管工作在非饱和区,其电流为:


image.png


因为image.png


上式改写为:


image.png


image.png,可以解得:


image.png


这就是倒相器导通时,输出低电平image.png的表达式。它与器件参数image.png和工艺参数image.png有关。如image.png愈大,image.png愈小,则image.png愈接近于0。


从上面分析看到,image.png倒相器的输出高电平image.png接近电源电压,输出低电平image.png接近于0,所以输出的电压幅值较大,电源电压得到充分利用,这是E/D MOS电路的一大优点。


2、传输特性和噪声容限

(1)传输特性曲线

 图2-35所示为E/DMOS倒相器的传输特性曲线,上面表示的各个参数,其意义与E/EMOS倒相器中的相同。


E/DMOS倒相器静态


根据不同的工作状态,可以把传输特性曲线分成三个不同的区域。为了讨论清楚起见,我们先把这三个区域中负载管和输入管的工作区域作一说明。大家知道,MOS管饱和区与非饱和区的分界线为:


E/DMOS倒相器静态


对于E/DMOS倒相器的负载管,由于:


E/DMOS倒相器静态


代入上式,得到E/D MOS倒相器负载管饱和区与非饱和区的分界线为:


image.png


image.png(分界线上面),负载管工作在非饱和区,若image.png(分界线下面),则负载管工作在饱和区。


对于输入管,饱和区与非饱和区的分界线为:


E/DMOS倒相器静态


image.png时(分界线左上侧),输入管工作在饱和区;当image.png时(分界线右下侧),输入管工作在非饱和区。


根据以上划分,图2-35中三个区城中倒相器两个管子的工作状态,就比较清楚了。在第I区中,负载管工作在非饱和区,输入管工作在饱和区;在第II区域,负载管和输入管都工作在饱和区;在第III区域,负载管工作在饱和区,输入管工作在非饱和区域。


现在,分别讨论三个区域中倒相器的输出电压与输入电压的函数关系。


第I区;当image.png,输入管截止,通过输入管的电流image.png,倒相器输出为高电平image.png,即特性曲线的AB段。当image.png略大于image.png,输出电压开始下降,但仍满足image.pngimage.pngimage.png的条件,即负载管工作在非饱和区,输入管工作在饱和区。两管的电流式分别为:


E/DMOS倒相器静态

E/DMOS倒相器静态


image.png,可得到方程:


image.png


解此方程,可得:


image.png


image.png大于image.png不多时,满足:

image.png,则可利用级数展开近似式image.png,将(2-52)式简化成:


E/DMOS倒相器静态


可见,随着image.png增大,输入管的沟道增原,沟道电阻减小,所以,image.png很快下降,即为特性的image.png段。


II区,image.png进一步增加,使输入管和负载管都工作在饱和区,其电流分别为:


E/DMOS倒相器静态


由方程E/DMOS倒相器静态解得:


image.png


这是一条与纵轴平行的直线,即为特性曲线的image.png段。


image.png就是从倒相器捷止的导通过聚的输入电压,这个电压依赖于image.pngimage.pngimage.png如器件几何尺寸一定,则主要依赖于工艺参数image.png


第Ⅲ区输入管处于非饱和区,负载管处于饱和区,其电流分别为:


E/DMOS倒相器静态


E/DMOS倒相器静态,得到方程:


E/DMOS倒相器静态


解此方程,得:


E/DMOS倒相器静态


E/DMOS倒相器静态时,根式可用级数展开,近似化简为:


E/DMOS倒相器静态


从(2-56)式可以看到,随着输入电压image.png的升高,输出电压缓慢下降,直至趋近于零;而且image.png小,image.png下降愈快,这就是特性曲线的DE段。


从上面的讨论看到,E/DMOS倒相器的传输性与器件的参数image.png和工艺参数image.png有密切的关系。


图2-36(a)表示image.png不同对传输特性的影响,从图中看到,取image.png可得到良好的传输特性。


图2-36(b)表示image.png不同对传输性的影响,从图中看到,image.png传输特性的影响特别显著,image.png愈大,传输特性愈差,输出低电平愈高。


此外,负载管的image.png与增强型负载管的阀值电压image.png一样,要受到源极调制作用的影响,因此,在设计中,image.png是需要认真考虑的一个重要因素。


E/DMOS倒相器静态


(2)噪声容限


 要求得噪声容限,必须先求得关门电平与开门电平的表达式。从图,2-35中看到,image.png为规定的最小输出高电平,它对应的输入电压就是关门电平。用image.pngimage.png分别代替(2-53)式中的image.pngimage.png就可求得关门电平:


E/DMOS倒相器静态


同样,可以看到,image.png为规定的最大输出低电平,它对应的输入电压就是开门电平image.png,将image.pngimage.png分别代替(2-56)式中的image.pngimage.png,就得到开门电平:


E/DMOS倒相器静态


于是,根据定义可写出输入低电平噪声容限为:


E/DMOS倒相器静态


输出高电平噪声容限为:


E/DMOS倒相器静态


下面举个例子,使大家对噪容的大小有个数量的概念。

若有某个E/D MOS倒相器,其image.png,规定image.png。试求其噪声容限。


由(2-57)式算得:E/DMOS倒相器静态

由(2-58)式算得:E/DMOS倒相器静态


所以:


E/DMOS倒相器静态


可见,噪声容限可以达到电源电压的35%以上。直流噪声容限大,抗干扰能力强,这是E/DMOS倒相器的又一特点。


还要强调指出,E/DMOS直流特性强烈地依赖于负载管的夹断电压image.png,例如输出低电平image.png的大小,抗干扰性能的优劣,无不与image.png有直接关系,因此,image.png成为设计中的一个重要因素。为了保证输出低电平的要求,并能减小晶片面积,可以不用增大输入管的宽长比W/L,而采用减小image.png的方法来达到。


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