管与负载器件的特性.瞬态特性还和 图3-5中的输出等效电容Car有关。 在图3-5所示MOS单元电路中用 PMOS晶体管作负载的倒相器称为 CMoS倒相器,电路结构如图3-9所示, 它由一对互补晶体管构成,具有代表 性,因此我们将主要讨论CM0S电路 3.2.1直流传输特性 在CMOS倒相器中,输人电压V同 图3-9CMOS倒相器电路 表31CMOS相器各工作区电压关系 非饱和区 VGs<Vr PMO管 Yi>VTp+voo Vi<vr+Voo Vi <vin Vin<voin +Vr Vns>0 时接到两个晶体管的栅极,输出端接至 两个晶体管的漏极,因此已不存在所谓 负载管和驱动管的概念,而是以互补的 Vur+Q 5v 方式工作。根据第二章讨论的MoS晶体管 理论,我们将PMOS管和MMoS管在不同工 作区域内的电压关系列在表3-1中。表 中V表示MMOS管的阈值电压,Vp是PMOS 管的阈值电压。注意,Vm<O.我们将互 补的一对管子的漏源电流与漏源电压的 图3-10CMOS倒相器的特性曲线
管与负载器件的特性．瞬态特性还和 图 3-5 中的输出等效电容COUT有关。 在图 3-5 所示 MOS 单元电路中用 PMOS 晶体管作负载的倒相器称为 CMOS 倒相器，电路结构如图 3-9 所示， 它由一对互补晶体管构成，具有代表 性，因此我们将主要讨论 CMOS 电路． 3.2.1 直流传输特性 在CMOS倒相器中，输人电压Vin同 时接到两个晶体管的栅极，输出端接至 两个晶体管的漏极，因此已不存在所谓 负载管和驱动管的概念，而是以互补的 方式工作。根据第二章讨论的MOS晶体管 理论，我们将PMOS管和NMOS管在不同工 作区域内的电压关系列在表 3-1 中。表 中VTN表示NMOS管的阈值电压，VTP是PMOS 管的阈值电压。注意，VTP<O．我们将互 补的一对管子的漏源电流与漏源电压的 图 3-9 CMOS 倒相器电路 图 3-10 CMOS 倒相器的特性曲线
特性曲线画在同一坐标图中,如图 3-10(a)所示。若以Iw和Vsp的绝对值 作图则得到图3-10(b)所示特 性.CM0S倒相器电路中P型晶体管源极 接正电源电压Vm,因此,若将图a5 3-10(b)中的P管特性曲线右移V,即 可得到CMoS倒相器的负载特性。CMoS Voo/2 VootV vp 倒相器的工作状态可以分为五个区域图311CMOS倒相器的直流传输特性 来讨论,它们的电压关系由表3-1决 定。相应于这五个工作区的传输特性如图3-11中A、B、C、D、E所示。 (1)A区在V<V时,NMoS管截止,Is为零。这时Vs<Vm,所以PMoS管导通 但Is=-I=0,因此倒相器输出电压 十分明显 Vapp=Vin-voo <VIe 所以: Vin<Vre+Voo 可见在此工作范围内PMOS管处于非饱和区。 (2)B区即V≥V时.在此阶段内,由于MMOS管刚导通,输出电压也没有发 生显著变化,所以PMOS管仍维持在非饱和状态;但是MOS管导通,且由 VGp=Vin-VIsN VIN 可推出: Vin<Vosy (3-9) 因此MoS管工作在饱和区。这时有:
特性曲线画在同一坐标图中，如图 3-10(a)所示。若以IDSP和VGSP的绝对值 作图则得到图 3-10(b) 所 示 特 性．CMOS倒相器电路中P型晶体管源极 接正电源电压VDD，因此，若将图 3-10(b)中的P管特性曲线右移VDD，即 可得到CMOS倒相器的负载特性。CMOS 倒相器的工作状态可以分为五个区域 来讨论，它们的电压关系由表 3-1 决 定。相应于这五个工作区的传输特性如图 3-11 中A、B、C、D、E所示。 图 3-11 CMOS 倒相器的直流传输特性 (1)A区 在Vin<VTN时，NMOS管截止，IDSN为零。这时VGSP<VTP， 所以PMOS管导通, 但IDSP=-IDSN=0，因此倒相器输出电压； Vout=VOH=VDD (3-5) 十分明显： VGDP=Vin-VDD<VTP (3-6) 所以： Vin<VTP+VDD (3-7) 可见在此工作范围内 PMOS 管处于非饱和区。 (2)B区 即Vin≥VTN时．在此阶段内，由于NMOS管刚导通，输出电压也没有发 生显著变化，所以PMOS管仍维持在非饱和状态；但是NMOS管导通，且由： VGDN=Vin-VDSN<VTN (3-8) 可推出： Vin<VDSN-VTN (3-9) 因此 NMOS 管工作在饱和区。这时有：
0.-1=(m-1-m-m-ym2y 由上式可求得输出电压是: m=0-r)+0-n)-24-ym-)m-0-n Be (3)C区即vin=VTH区.由于输出电压下降,使得本区域内MM0S管和PMOS 管均处于饱和区工作状态.由晶体管电流方程有 PM(V -Vr)=P=(VDn -) (3-12) 它对应着陡峭下降的特性,对应此时的输入电压是: Bn/Bp-Vre |+Voo TH (3-13) l+√Bx/B 通常将这个电压值作为倒相器的闰值电压。若取β=Bp,Vn=|Vm|.则上式变为; Vi=Vr=Von/2 (3-14) (4)D区即当Vin≤VDD-ⅥTP时。这时NOS管进入非饱和区而PMoS管仍 维持在饱和区。由晶体管电流方程有: B,vm-V you -Vo--Br(oo-Va-IvipU (3-15) 由此求得输出电压是: (m -Vn)-(vm-V)-PPVm -- D (3-16) (5E区即当vin≥VDⅥTP时。这时PMoS管截止,Is=0,但NMS管仍处于 非饱和状态。因此,输出电压: V=Vo=0 (3-17
( ) ( )( ) ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − −−=− −− 2 || 2 2 2 inDD TNin inDDP TP DD OUT N VV VV β VVVVV β (3-10) 由上式可求得输出电压是： ( )( ) ( ) 2/1 2 2 2 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ −− ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−−−+−= TNin P N DDTP DD out TPin TPin in VVVV V VVVVVV β β (3-11) (3)C 区 即 Vin=VTH 区．由于输出电压下降，使得本区域内 NMOS 管和 PMOS 管均处于饱和区工作状态．由晶体管电流方程有： ( ) ( 2 2 || 2 2 inDD TP P TPin N VV −−=− VVV ) β β (3-12) 它对应着陡峭下降的特性，对应此时的输入电压是： PN PNTN TP DD THin V VV VV ββ ββ /1 ||/ + +− == （3-13） 通常将这个电压值作为倒相器的闰值电压。若取βN=βp，VTN=|VTP|.则上式变为； Vin=VTH=VDD/2 (3-14) (4)D 区 即当 Vin≤VDD-|VTP|时。 这时 NMOS 管进入非饱和区而 PM0S 管仍 维持在饱和区。由晶体管电流方程有： ( ) ( 2 2 || 22 inDD TP out P outTNinN VVV V VVV ⎥ −−= ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −− β β ) (3-15) 由此求得输出电压是： ( )( ) ( 2/1 2 2 || ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ in DD −−−−−−= TP N P out TNin in VVVVV TTN VVV β β ) (3-16) (5)E区 即当Vin≥VDD-|VTP|时。这时PMOS管截止，IDSP=0，但NMOS管仍处于 非饱和状态。因此，输出电压： Vout=VOL=0 (3-17)
实际的倒相器状态转变总有一个过程。为了保证数字电路可靠地工作,应满 足 Vn≤V (3-18) n≥Vn 式中,Vn称为最大输入低电平 Vm称为最小输入高电平.亦即为 了保持Vo处于可靠的逻辑“1”状 d vo/dvi=m-I 态时的输入电压不得超过V同 样。为了保证V处于可靠的逻辑 “0”状态时,输入电压不得小于 Vm。通常将VL和VIH定义在倒相 dv…lava=-1 器直流传输特性曲线斜率等于-1 o Vn VmV. 处所对应的输入电压,如图3-12 图3-12V和Vm的定义 所示 设X=B√Bp,在式(3-11)中将Ⅴout对Vin求导.令导数值为-1.可得到 V12[3-2X-X2]+Vn[(6+2X)(|Vv|-Vmt+Xx) +[3Vm2+3V2Vn2(-4X-X2)+6VnVm+2XVnV+2XVnV]=0(3-19) 若令X=1,可求得 l=3D-3|m|+V 用相同的方法得到求Vm的方程式是: 2 Xx+m-8mx+m2+8m-242 XX 3(x (3-21) X DD +y 2
实际的倒相器状态转变总有一个过程。为了保证数字电路可靠地工作，应满 足： (3-18) ⎩ ⎨ ⎧ ≥ ≤ = IHin DD ILin out VV V VV V 0 式中，VIL称为最大输入低电平； VIH称为最小输入高电平．亦即为 了保持Vout处于可靠的逻辑“1”状 态时的输入电压不得超过VIL同 样。为了保证Vout处于可靠的逻辑 “0”状态时，输入电压不得小于 VIH。通常将VIL和VIH定义在倒相 器直流传输特性曲线斜率等于-1 处所对应的输入电压，如图 3-12 所示． 图 3-12 VIL和 VIH的定义 设X=βN/βP，在式(3-11)中将Vout对Vin求导．令导数值为-1．可得到， VIL 2 [3-2X-X2 ]+VIL[(6+2X)(|VTP|-VDD+XVTN)] +[3VTP 2 +3VDD 2 十VTN 2 (-4X-X2 )+6VTPVDD+2XVTNVTP+2XVTNVDD]＝0 (3-19) 若令 X＝1，可求得： 8 DD TP 5||33 TN IL VVV V − + = (3-20) 用相同的方法得到求VIH的方程式是： ( ) 2 0 4 4 1 22 88 8 12 3 2 2 22 2 2 = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ −+−++ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ −+ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ −−++−+⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −− TN DD TP TN DD TP TPDD TN DD TP DD TP IH IH TN V X V X V VVVV X V V X V X V XX V X V VV XX V (3-21)
当X=1时,可求得 5D-5|1mp|+3 在B=B,和Vn=VP[的条件下 (3-23) 2 3.2.2瞬态特性 倒相器的瞬态特性是研究倒相器输入电压随时间变化时其输出电压的变化规 L <a) (6) 图3-13CMOS倒相器瞬态特性(a)放电过程 (b)充电过程
当 X=1 时，可求得： 8 3||55 DD TP TN IH VVV V − + = (3-22) 在βn=βp和VTN=VTP[的条件下： ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ IL TN += VVV DD 2 3 4 1 (3-23) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ VIH = DD −VV TN 2 5 4 1 (3-24) 3.2.2 瞬态特性 倒相器的瞬态特性是研究倒相器输入电压随时间变化时其输出电压的变化规 图 3-13 CMOS 倒相器瞬态特性 （a）放电过程 (b)充电过程