第5章MOS反相器讲解

1、填空题解答题请给出NMOS!体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情1、况下是提高阈值还是降低阈值）。【答案：】公式：VT =1 -2+苴中：,”为了洎除半导体和金厘的动函数差 金屋电相相对于半导体所需要加的外加电H般情况下，金晶功函数值比半导体的小/弧 一般为依口口2T是开始出现强度型时半导体表面所需的表面势，也就是聘在空间电荷区上的视对于NMOS数值为正丁区是为了支撑半导体表面出现强度型所需要的体电荷所需要的外加电压.Cqs于数值为正旦匿星为了把箝绘层中正电荷发出的电力线全部吸弓I到金蜃电根一厕所需加的外加电C。ax对于蝴镖层中的正电荷.需要加负电期j骐

2、拉到平带,一股为负口，& 是为了调节阈泊里压而注入的电荷产生的禽响，对于NMOS注人F c蜃质为正值0 +,2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响【答案：】器件的亚阈值特fiE是指在分析 MOSFET时，当Vgs0 ,源与衬底的PN结反偏，耗尽层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。影响：使得PMOS阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。5、什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响【答案：】MOS晶体管存在速度饱和效应。器件工作时，当漏源电压增大时，实际的反型层沟道长度逐渐减小，即沟道长度是漏源电压的函数，这一效应称为沟

3、道长度调制效应影响：当漏源电压增加时，速度饱和点在从漏端向源端移动，使得漏源电流随漏源电压增加而增力口，即饱和区D和S之间电流源非理想。6、为什么MOS!体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）【答案：】晶体管开通后，其漏源电流随着漏源电压而变化。当漏源电压很小时，随着漏源电压的值的增大，沟道内电场强度增加，电流随之增大，呈现非饱和特性；而当漏源电压超过一定值时，由于载流子速度 饱和（短沟道）或者沟道夹断（长沟道），其漏源电流基本不随漏源电压发生变化，产生饱和特性。7、给出E/R反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算VTC曲线上的临界电压值VinVT0时，Mi处于截止状

4、态，不产生任何漏极电流。 随着输入电压增加而超过 Vto时，Mi开始导通,漏极电流不再为0,由于漏源电压 VDS=Vout大于Vin- VT0,因而Mi初始处于饱和状态。随着输入电压增加，漏极电流也在增加，输出电压Vout开始下降，最终，输入电压大于 Vout + V T0, Mi进入线性工作区。在更大的输入电压下，输出电压继续下降，Mi仍处于线性模式。传输特性曲线如图示:2) Vin = V OH=V DD 时,Vout =V OLMi： Vgs=V in=V DDVds=V out =V OL:Vds 1%7 mgM+1眼感口口-打口+1 眼 nRl P为使 VOL f0 ,要求 KNRL

5、 13 ) Vin =V IL 时，MI： V GS =V in =V ILV DS =V out VDS V GS-V T0MI饱和导通IR=(V DDVout)/R L_2IM=1/2 K n (Vgs - V to)22=1/2 K N (Vin - V to)2I M=I R,对 Vin 微分，得：-1/R L(dV out /dV in)= K N (Vin - V T0), dV out /dV in =-1 ViL=V in =V to+1/K nRl;此时 Vout =V DD-1/2K NRl4 ) Vin =V IH 时，M I ： VgS=V in =V IHVDS=V

6、out:Vds D-VoL- V DSLVsSL-V TLML始终饱和导通Vout= V OF= V DD-VtL2) Vn = Vdd 时，Uut=VoLM：VGSI=Vn=WVDSI=VOut=VoLDSI V GSI-VtiM非饱和导通I DSI = KnI (VgSI- V TI)V DSI 1/2V DSI J=K NI(VDb V Tl) V OL- 1/2V OL2I ds=1/2 K nl (Vgsl-Vtl)= 1/2 K NL (VdD V OL-Vtl) I DSI = I DSLOL =gmL(VDD - V Tl)/2g ml为使 Vol- 0,要求 gm g ml1

7、3、试比较将nMOS E /E反相器的负载管改为耗尽型 nMOSFE后，传输特性有哪些改善【答案：】1) Vn=0, ME截止MD:耗尽型负载管 Vtd VGSD-V tdMD始终饱和导通Vout= VoH= Vdd,改善了高电平传输特性2) Vn = Vdd, Uut= VolM： VGsFVn=VDDVDSE=Vout =VoLD. dseVgse-VteM非饱和导通I DSE= Kne (VGSE- V TE)V DSE- 1/2V DSE = KnE(VDD- Vte) V OL- 1/2V OL2I DS=1/2 K ND (VgSD - V TD)=1/2 K ndVtdJ DSI

8、 = I DSL2_OL = VTDKnd/2 K NE(VDD - V TE)低电平传输特性仍取决于两管尺寸之比为使 Vol 0,要求 Knd VgSN V TNMN饱和导通I DSN =1/2 K n(VgSN - V tn)2_2=1/2Kn(Vil- V tn)MP： - V GSP = VDD- V in = V DD - V IL-V DSP = V DD - V out- V DSP - V GSP一(-V tp)MP非饱和导通IDSP=K P(-VGSP-|VTP|)(-VDSP)-1/2(-VDSP) =KP(VDD- V IL -|V TP|)( V DD - V out)

9、 - 1/2( V DD - V out)2, I DSN = I DSP)VIL 微分，得：KP(VDD- V IL -|V TP|)(-dV out/dVin )+(-1) ( V DD - V out)- ( V DD - V out) (-dV out/dVin )=KN(VIL -VTN)dVout/dVin =-1IL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+K R)其中KR=KN/K P2)Vin = VIHMN：VGSN= V in= V IHVDSN= VoutDSN - V gsp (V TP)MP饱和导通2I DSP =1/2 K P(-V GSP - |V T

10、P|) 2=1/2KP(VDD-VIH-|V TP|) 2 I DSN = I DSP)VIH 微分，得：KN(VIH-VTN) (dV out/dVin )+Vout-Vout(dVout/dVin) =KP(V DD-VIH -|V TP|)dVout/dVin =-1IH=VDD+VTP+KR(2V out+VTN) /(1+K R)其中KR =KN/KP20.解：Vn =%, NMOS PMO的饱和导通I DSN =1/2 g nCOx(WZL) n(VGSN - V TN)2=1/2K N(VM- V TN)I DSP =1/2 ii pCdx(WZL) p(-V GSP - |VT

11、P|) 2=1/2KP(VDD-VM-|V TP|) 2由 I DSN = I DSP 得：Vm=(V Dd+Vtp+Vn)/(1+ )其中KR =KN/KP当工艺确定，VDD、VTN、VTP、因而濡取决于两管的尺寸之比WW18、根据CMO或相器的传输特性曲线计算 VIL和Vh答案：】|1)犷口MnS V(5Sn N# V1L 4比士耳父治吐*- VdSHGSN- UmW饱和导通/Idsh 二1,2 Kh(V 第h - Uth尸=1胸加Vm产Mp； - Vgsp Vpp - Vj Vpp - VL+.h Vpsp = Vji - Vdsp SP= Kp (-V(55P- |Vyp|)( -Vd

12、spA 1/2(因口5口为 V=KpVbd - 昵-1/2( VDI, - W)/*1den = Idsp, 对 Vq.微分,得二，将KVg-M0曲(-史如晒)+01)(外口一通加近葭溢)(.我喊3)-KhMl-VtnAJ狐=(2Vtp Ndd+KrVtnM 1 +KjO其中 Kr MiKw2)3加Mn： Vgsn = V= VM mVdsh - VmN V(j2p -(-V-pp)Mp饱和导通左即=1以融-V像=1血Ydd-Vzh-Wt?产,Idsn = Ids3 对 Uih微分，得/ .Kj(V1117TN)(iMYQ+WWWW)=Kp(Um-V1HM同)二(Vdd+Vtt +Kr(27+

13、Vtm) ) /(1+K。 其中 Kr=KWKx19、求解CMOSe相器的逻辑阈值，并说明它与哪些因素有关【答案：】Vin =%, NMOS PMO韵饱和导通2=1/2KVw V tn)I DSN =1/2 g nCx(W/L) n(VGSN - V Tn)I DSP =1/2 R pCOx(W/L) p(-V GSP - |V TP|) 2=1/2K P(VDD-VM-|V TP|) 2由 I DSN = I DSP得：Vm=(Vdd+Vtp+V-N )/(1 + )其中& =KJKp当工艺确定，VDD %N、P、gN、 RP均确定因而Vm取决于两管的尺寸之比VN/W320、为什么的PMOS

14、K寸通常比NMOS勺尺寸大【 答案：】1)电子迁移率较大，是空穴迁移率的两倍，即 g N=2 g Po2)根据逻辑阈值与晶体管尺寸的关系V产Wp/WN,在Vm较大的取值范围中，WW。考虑一个具有如下参数的CMO阪相器电路：VDD=3.3V VTN=0.6V VTP=-0.7V KN=200uA/V2 Kp=80uA/V221计算电路的噪声容限。【 答案：】KR=KN/KP=2.5CMO阪相器的 V)l=0V, Vdh=Vdd=3.3VVIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+K R)=0.57Vout-0.71Vin= Vil 时，有 1/2Kn(Vil-Vtn)2=&(VdB

15、Vil |Vtp|)( Vdd - V out) - 1/2( V dd - Vut)20.66 V out2+0.05 V out -6.65=0解得：Vout =3.14V.Vil=1.08VVIH= VDD+VTP +KR(2Vout +VTN) /(1+K R)=1.43 V out+1.17Vin = VlH 时，有 Kn(ViH- V tn) V out- 1/2 V ouJ =1/2K P(VdD-V IH|V Tp|) 22.61Vout2+6.94Vout-2.04=0解得：Vout=0.27V：Vih=1.55V.VnmL=Vl-Vol=1.08VVNMH=VOH-VIH=

16、1.75V采用 0.35um 工艺的 CMO阪相器，相关参数如下：VDD=3.3VNMOSVTN=0.6V g NCOX=60uA/V2 (W/L)N=8 22PMOS VTP=-0.7V g pCOX =25uA/V2 (W/L)P=12 求电路的噪声容限及逻辑阈值【 答案：】Kr= g nCoX(W/L) n/ gpOx (W/L) p=1.6对于 CMO或相器而言，Vol=0V, VoH=VdD=3.3VVIL=(2Vout+VTP-VDD+KRVTN)/(1+K R)=0.77V out-1.17当Vn = Vil时，NMOSS和导通，PMO琲饱和导通由 I DSN = I DSP 得

17、：1/2KN(ViL- V TN) 2=KP (VDD- V iL -|V TP|)( V DD - V out) - 1/2( V DD - V out)22.04 V out2+8.30 V out -44.90=0解得：Vout =3.077V：Vil=1.2V同理，Vih=Vdd+VTp +K(2Vout +Vtn)/(1+Kr)=1.23 V 0ut+1.37当Vn= Vih时，PMO前和导通，NMOSfE饱和导通由 I DSN = I DSP 得：Kn(Vih- V tn) V out- 1/2 V out2=1/2Kp(Vdd-Vih-|Vtp|) 25.53V out2+24.

18、62Vout-6.15=0解得：Vout=0.24V：Vih=1.66V:该CMO或相器的噪声容限：Vnml=Vl-Vol=1.2VVnmh=Voh-Vih=1.64V逻辑阈值：皿+/卢%.历玳1+辰)=1.487设计一个 CMOS相器，NMOS VTN=0.6V v NCOX=60uA/V2 PMOSVTP=-0.7V r PCOX=25uA/V2 电源电23、压为3.3V, LN=LP=0.8um 1）求VM=1.4V时的 WN/WP 2）止匕CMO皈相器制作工艺允许 VTN、VTP的值在标称值有正负15%勺变化，假定其他参数仍为标称值，求VM的上下限。【答案：】1）*旧53%斥）心+斥川即 1.4=(3.3-0.7-M .6 )X (1-1- ”Ck )+解惇：QG.2WKlKnKK惧W口阳山加（口加也汗 ；2）V1H、Uip荏标称值百正负15%的麦优.则如吟为52XW窥加1次皿=（%日也播近石瓯人所此+1-3047为旧口打瞰加时如如艮XU十、瓯 尸