VLSI 设计 - MOS 反相器

反相器确实是所有数字设计的核心。一旦清楚地了解了它的操作和属性，设计更复杂的结构(如 NAND 门、加法器、乘法器和微处理器)就会大大简化。这些复杂电路的电气行为几乎完全可以通过推断反相器的结果来推导。

反相器的分析可以扩展到解释更复杂的门(如 NAND、NOR 或 XOR)的行为，这些门反过来又构成了乘法器和处理器等模块的构建块。在本章中，我们重点介绍反相门的一种形式，即静态 CMOS 反相器 - 或简称为 CMOS 反相器。这无疑是目前最流行的，因此值得我们特别关注。

工作原理

理想反相器的逻辑符号和真值表如下图所示。这里 A 是输入，B 是其节点电压表示的反相输出。使用正逻辑，逻辑 1 的布尔值用 V_dd 表示，逻辑 0 用 0 表示。V_th 是反相器阈值电压，即 V_dd /2，其中 V_dd 是输出电压。

当输入小于 V_th 时，输出从 0 切换到 V_dd。因此，对于 0<V_in<V_th 输出等于逻辑 0 输入，V_th<V_in< V_dd等于反相器的逻辑1输入。

图中所示的特性是理想的。nMOS反相器的广义电路结构如下图所示。

从给定的图中，我们可以看到反相器的输入电压等于nMOS晶体管的栅极到源极电压，反相器的输出电压等于nMOS晶体管的漏极到源极电压。nMOS的源极到衬底电压也称为晶体管的驱动器，它接地；所以 V_SS = 0。输出节点与用于 VTC 的集总电容相连。

电阻负载逆变器

下图显示了电阻负载逆变器的基本结构。这里，增强型 nMOS 充当驱动晶体管。负载由一个简单的线性电阻 R_L 组成。电路的电源为 V_DD，漏极电流 I_D 等于负载电流 I_R。

电路操作

当驱动晶体管的输入小于阈值电压 V_TH (V_in < V_TH) 时，驱动晶体管处于截止区，不传导任何电流。因此，负载电阻两端的压降为零，输出电压等于 V_DD。现在，当输入电压进一步增加时，驱动晶体管将开始传导非零电流，nMOS 进入饱和区。

从数学上讲，

$$I_{D} = \frac{K_{n}}{2}\left [ V_{GS}-V_{TO} ight ]^{2}$$

进一步增加输入电压，驱动晶体管将进入线性区域，驱动晶体管的输出减少。

$$I_{D} = \frac{K_{n}}{2}2\left [ V_{GS}-V_{TO} ight ]V_{DS}-V_{DS}^{2}$$

电阻负载逆变器的 VTC(如下所示)指示驱动晶体管的工作模式和电压点。

带 N 型 MOSFET 负载的逆变器

使用 MOSFET 作为负载设备的主要优势在于晶体管占用的硅面积小于电阻负载占用的面积。这里，MOSFET 是有源负载，带有源负载的逆变器比带电阻负载的逆变器性能更好。

增强型负载 NMOS

图中显示了两个具有增强型负载装置的反相器。负载晶体管可以在饱和区或线性区工作，具体取决于施加到其栅极端子的偏置电压。饱和增强型负载反相器如图 (a) 所示。它需要单电压电源和简单的制造工艺，因此 V_OH 限制为 V_DD 减去 V_T。

线性增强型负载反相器如图 (b) 所示。它始终在线性区工作；因此 V_OH 电平等于 V_DD。

与饱和增强型反相器相比，线性负载反相器具有更高的噪声容限。但是，线性增强型反相器的缺点是，它需要两个独立的电源，并且两个电路都存在高功耗。因此，增强型反相器不用于任何大规模数字应用。

耗尽负载 NMOS

增强型负载反相器的缺点可以通过使用耗尽负载反相器来克服。与增强型负载反相器相比，耗尽型负载反相器需要更多的制造步骤，用于通道注入以调整负载的阈值电压。

耗尽型负载反相器的优点是 - 尖锐的 VTC 转换、更好的噪声容限、单电源和更小的整体布局面积。

如图所示，负载的栅极和源极端子连接在一起；因此，V_GS = 0。因此，负载的阈值电压为负。因此，

$$V_{GS,load}> V_{T,load}$$ 满足

因此，无论输入和输出电压水平如何，负载设备始终具有传导通道。

当负载晶体管处于饱和区时，负载电流由下式给出

$$I_{D,load} = \frac{K_{n,load}}{2}\left [ -V_{T,load}\left ( V_{out} ight ) ight ]^{2}$$

当负载晶体管处于线性区时，负载电流由下式给出

$$I_{D,load} = \frac{K_{n,load}}{2}\left [ 2\left | V_{T,load}\left ( V_{out} ight ) ight |.\left ( V_{DD}-V_{out} ight )-\left ( V_{DD}-V_{out} ight )^{2} ight ]$$

下图显示了耗尽负载反相器的电压传输特性 −

CMOS 反相器 – 电路、操作和说明

图中显示了 CMOS 反相器电路。这里，nMOS 和 pMOS 晶体管用作驱动晶体管；当一个晶体管导通时，另一个晶体管关断。

此配置称为 互补 MOS (CMOS)。输入连接到两个晶体管的栅极端子，这样两个晶体管都可以直接用输入电压驱动。 nMOS 的衬底接地，pMOS 的衬底连接到电源 V_DD。

因此，两个晶体管的 V_SB = 0。

$$V_{GS,n}=V_{in}$$

$$V_{DS,n}=V_{out}$$

并且，

$$V_{GS,p}=V_{in}-V_{DD}$$

$$V_{DS,p}=V_{out}-V_{DD}$$

当 nMOS 的输入小于阈值电压 (V_in < V_TO,n) 时，nMOS 截止，pMOS 导通处于线性区域。因此，两个晶体管的漏极电流均为零。

$$I_{D,n}=I_{D,p}=0$$

因此，输出电压 V_OH 等于电源电压。

$$V_{out}=V_{OH}=V_{DD}$$

当输入电压大于 V_DD + V_TO,p时，pMOS晶体管处于截止区，nMOS处于线性区，因此两个晶体管的漏极电流均为零。

$$I_{D,n}=I_{D,p}=0$$

因此，输出电压V_OL等于零。

$$V_{out}=V_{OL}=0$$

如果V_in >，则nMOS工作在饱和区V_TO 并且满足以下条件。

$$V_{DS,n}\geq V_{GS,n}-V_{TO,n} $$

$$V_{out}\geq V_{in}-V_{TO,n} $$

如果 V_in < V_DD +plus;，则 pMOS 在饱和区工作V_TO,p 并且满足以下条件。

$$V_{DS,p}\leq V_{GS,p}-V_{TO,p} $$

$$V_{out}\leq V_{in}-V_{TO,p} $$

对于不同的输入电压值，两个晶体管的工作区域如下所示。

CMOS的VTC如下图所示−