CMOS倒相器的直流传输特性和噪声容限

CMOS倒相器的传输特性

一、直流传输特性和噪声容限

CMOS传输特性 

大家知道，倒相器的传输特性曲线，可以从倒相器两个管子的电流方程出发，导出输入电压与输出电压的对应关系式，从而作图得来。

为了讨论方便起见，我们先对负载管与输入管工作于饱和区或排饱和区的条件作些说明。图2-40的标出了负最管与输入管的电压偏置。CMOS倒相器的传输特性

从图中看到，对于输入管（NMOS），其工作状态处于饱和区和非饱和区的分界线为：

其中

当时，NMOS工作在非饱和区；时，则工作在饱和区。

对于负载管PMOS，其工作状态处于饱和区和非饱和区的分界线为：

其中

当时，PMOS工作在非饱和区，时，则工作在饱和区。

因此，可以写出两器件在两种状态下的电流公式：

可见，当从0V上升至时，负载管与输入管将处于不同的工作状态，因面倒相器的输出电压也随之变化。为了直观起见，我们先举一个输入电压从0V上升到10V的实际例子，来说明输出电压随输入电压的变化关系。CMOS倒相器的传输特性这里假定两个管子完全对称，具有，当输入电压从0V上升到10V时，输入管和负载管的工作状态和输出电压的变化，可分为五个区域来讨论。

第I区城：，输入管截止；而，负载管导通。

这时Ip=0，输出电压，如图2-41（a）所示。

第II区域：，输入管导通，工作在饱和区；同时，，负载管也导通，工作在非饱和区。这时，，输出电压满足：，如图2-41（b）所示。

第III区域：当，仍有，输入管与负载管都导通，并且都工作在饱和区。这时Ip最大，Vo急剧下降，称这个区域为高增益区（又称转换区）。这时对应的输入电压称为转换电平，用表示，如图2-41（c）所示。

第IV区域：时，，输入管导通，工作在非饱和区，同时，，负载管也导通，工作在饱和区，比时有所下降，输出电压满足。如图2-41（d）所示。

第V区域：，输入管导通，但，负载管截止；这时，如图2-41（e）所示。

根据上述输出特性的各个工作点，可以作出对应的关系曲线，如图2-42所示，即为CMOS倒相器的传输特性。

以上分析结果虽然是从对称性互补管子的简化条件下得到的，但可以对倒相器整个工作过程有个全面的了解。CMOS倒相器的传输特性对于非对称特性器件（即）组成的倒相器的传输特性，需要从电流方程出发，得到一般性的表达式。

由图2-40中看到，通过负载管和输入管的电流是相等的，即：

在I区内：因为输入管截上，由于

即：

所以：

在II区内：PMOS工作在非饱和区，NMOS工作在饱和区。因为

所以：

经过整理后，可以求得：

在III区内：PMOS和NMOS均工作在饱和区。

所以：

经过整理，可解得：

若在理想情况下，两管完全对称，有

在TV区内：PMOS 工作在饱和区，NMOS工作在非饱和区，所以根据的关系，可以求得：

在V区内：因为负载管截止，由于

所以：

通过上面的分析可以看出，CMOS倒相器具有以下几个特点：

❶逻辑摆幅 大高电平可达，低电平可近似为0。这样，电源电压得到充分利用，可以利用较低的电源电压。

❷转换区的电压增益高 当转换电平为时，输出电压下降很快，因此可以容许较大的噪声电压，抗干扰性能较好。

❸功耗低无论是输出高电平或低电平时，两个管子总有一支处于截止状态，电源和地之间没有直接通路，而只有PN结的漏电流通过。CMOS倒相器的传输特性因此工作电流Io是很小的，近似为零。所以，CMOS静态功耗是极低的，一般在nW数量级。正因为如此，CMOS电路也称为微功耗电路。

CMOS噪声容限 

在CMOS电路中，为了设计方便，一般使用最大噪声容限的定义。它是以直流传输特性曲线与直线的交点所对应的输入电压，分别与电源和零电位之差，来代表高、低电平的噪声容限。由于MOS倒相器在转换区具有十分高的电压增益，所以交点对应的输入电压就是转换电平，如图2-43所示。

低电平最大噪声容限：

高电平直流噪声容限：

从图2-43上看到，最大噪声容限显然比过去定义的指定噪声容限和要大，只有在传输特性成为理想的特性曲线时，两者才近似相等。

根据最大噪声容限的定义知道，要得到较大的噪声容限，决定于转换电平的大小。所以必须对转换电平中各个因素对传输特性的影响作一些讨论。

对（2-68）式中的各参数，都对进行归一化，引入归一化参量。令：

为归一化转换电平

，为归一化PMOS管的阀值电压

，为归一化NMOS管的阀值电压

PMOS管对NMOS管的k因子比

于是（2-68）式写成归一化形式

若两管对称，即，可以得到理想的最大噪声电压为1。

实际上，不等于，也不等于，所以，使噪声容限减小。图2-44表示不同的对传输特性的影响，图2-45表示两管阀值电压不同对传输特性的影响。CMOS倒相器的传输特性设计中，在的情况下，为了使尽可能接近1/2，往往采用调节的大小（即调节两管的几何尺寸比）来达到。

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