Podręcznik
5. Przełączanie tranzystora MOS: charakterystyki i parametry
5.2. Inwerter CMOS
Inwerter CMOS
Podstawowych wad technologii NMOS pozbawiona jest powszechnie stosowana obecnie technologia CMOS (Complementary MOS), w której zastosowano jako obciążenie tranzystor z kanałem typu p (komplementarny):
Rys. 5.11 Schemat inwertera CMOS
Korzystne właściwości inwertera CMOS wynikają stąd, że tranzystor obciążający jest też przełączany: dla wysokiego napięcia wejściowego, gdy tranzystor sterujący NMOS silnie przewodzi, tranzystor PMOS jest praktycznie wyłączony (UGS_L@0) i odwrotnie, dla niskiego napięcia wejściowego tranzystor NMOS jest wyłączony, a tranzystor PMOS przewodzi:
Rys. 5.12 Punkty pracy w stanach ustalonych inwertera CMOS
Dzięki temu uzyskuje się dużą amplitudę logiczną (w dzielniku napięciowym zawsze jeden tranzystor przewodzi a drugi jest wyłączony, więc UOL@0 i UOH@UDD), duże marginesy szumowe oraz pomijalny pobór prądu w warunkach statycznych:
Rys. 5.13 Napięcie wyjściowe i prąd drenu w funkcji napięcia wejściowego inwertera CMOS
Przedstawiona na rys. 5.13 charakterystyka przenoszenia jest symetryczna, jeżeli:
|
\(U_{TP}=-U_{TN},\: \: \beta _{R}=\frac{\beta _{I}}{\beta _{L}}=1.\) |
(5.14) |
A zatem współczynnik geometryczny KR jest niewielki i różny od jedności tylko z powodu różnej ruchliwości dziur i elektronów:
|
\(\beta _{R}=\frac{C_{i}\mu _{n}(W/L)_{I}}{C_{i}\mu _{p}(W/L)_{L}}=1\Rightarrow K_{R}=\frac{(W/L)_{I}}{(W/L)_{L}}=\frac{\mu _{p}}{\mu _{n}}\cong 0.4.\) |
(5.15) |
Pojemność obciążająca inwerter CMOS jest rozładowywana i ładowana z podobną dużą szybkością przez dobrze przewodzący tranzystor, odpowiednio sterujący i obciążający.
Bardzo dobre właściwości inwertera CMOS uzyskuje się kosztem zwiększenia liczby operacji procesu technologicznego oraz strat powierzchni na izolowaną wyspę (przeciwnego typu niż podłoże układu), w której wykonuje się jeden z komplementarnych tranzystorów.
Rozwiązanie
W punktach charakterystycznych wyznaczających zakres przejściowy UIL i UIH, wzmocnienie napięciowe wynosi:
\(k_{u}=\frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} U_{we}}=-1.\)
Wyznaczenie wzmocnienia w sposób analogiczny do Wwzmku wymaga przeanalizowania stanu tranzystorów w odpowiednich warunkach polaryzacji. W odróżnieniu od dotychczasowych rozważań, przekształcając powyższy warunek należy uwzględnić, że prądy płynące przez każdy z tranzystorów inwertera CMOS zależą od napięcia wejściowego, natomiast od napięcia wyjściowego tylko prąd tranzystora pracującego w zakresie nienasycenia (liniowym).
Dla Uwe = UIL tranzystor NMOS pracuje w nasyceniu, a PMOS w zakresie liniowym. Wynika stąd:
|
\(k_{u}=\frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} U_{we}}=(\frac{\mathrm{d} I_{DN}}{\mathrm{d} U_{we}}-\frac{\mathrm{d} I_{DP}}{\mathrm{d} U_{we}})\cdot \frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} I_{DP}}=-1,\) |
(5.16) |
(odpowiednie znaki uwzględniają kierunek zmian prądów w funkcji napięć i zapewniają ku = -1).
Uwzględniając pochodne:
w zakresie liniowym
\(\frac{\mathrm{d} I_{DP}}{\mathrm{d} U_{we}}=\beta U_{DSP}=\beta(U_{wy}-U_{DD}),\)
\(\frac{\mathrm{d} I_{DP}}{\mathrm{d} U_{wy}}=\beta [U_{GSP}-U_{TP}-(U_{wy}-U_{DD})]=\beta(U_{we}-U_{TP}-U_{wy}),\)
w zakresie nasycenia
\(\frac{\mathrm{d} I_{DN}}{\mathrm{d} U_{we}}=\beta (U_{wy}-U_{TN}),\)
z warunku (5.16) otrzymuje się:
|
\(U_{IL}=U_{wy}-\frac{1}{2}(U_{DD}-U_{TN}-U_{TP}).\) |
(5.17) |
Dla Uwe = UIH tranzystor NMOS pracuje w zakresie liniowym, a PMOS w nasyceniu, a zatem:
|
\(k_{u}=\frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} U_{we}}=(\frac{\mathrm{d} I_{DP}}{\mathrm{d} U_{we}}-\frac{\mathrm{d} I_{DN}}{\mathrm{d} U_{we}})\cdot \frac{\mathrm{d} U_{wy}}{\mathrm{d} I_{DN}}=-1,\) |
(5.18) |
(odpowiednie znaki uwzględniają kierunek zmian prądów w funkcji napięć i zapewniają ku = -1).
Uwzględniając pochodne:
w zakresie liniowym
\(\frac{\mathrm{d} I_{DN}}{\mathrm{d} U_{we}}=\beta U_{wy},\)
\(\frac{\mathrm{d} I_{DN}}{\mathrm{d} U_{we}}=\beta (U_{we}-U_{TN}-U_{wy}),\)
oraz w zakresie nasycenia:
\(\frac{\mathrm{d} I_{DP}}{\mathrm{d} U_{we}}=\beta (U_{we}-U_{DD}-U_{TP}),\)
z warunku (5.17) otrzymuje się:
|
\(U_{IH}=U_{wy}+\frac{1}{2}(U_{DD}+U_{TN}+U_{TP}).\) |
(5.19) |
(W powyższych wzorach uwzględniono UGSP = Uwe - UDD oraz UDSP = Uwy - UDD)