Инвертор действительно ядро всех цифровых конструкций. Как только его работа и свойства будут понятны, проектирование более сложных структур, таких как вентили NAND, сумматоры, умножители и микропроцессоры, значительно упрощается. Электрическое поведение этих сложных цепей может быть почти полностью получено путем экстраполяции результатов, полученных для инверторов.
Анализ инверторов может быть расширен, чтобы объяснить поведение более сложных вентилей, таких как NAND, NOR или XOR, которые, в свою очередь, образуют строительные блоки для таких модулей, как умножители и процессоры. В этой главе мы сконцентрируемся на одном воплощении инверторного затвора, то есть статического КМОП-преобразователя или, вкратце, КМОП-преобразователя. Это, безусловно, самая популярная в настоящее время и поэтому заслуживает нашего особого внимания.
Принцип действия
Логический символ и таблица истинности идеального инвертора показаны на рисунке ниже. Здесь A является входом, а B является инвертированным выходом, представленным их узловыми напряжениями. Используя положительную логику, логическое значение логики 1 представлено V dd, а логика 0 — 0. V th — пороговое напряжение инвертора, которое равно V dd / 2, где V dd — выходное напряжение.
Выход переключается с 0 на V dd, когда вход меньше V th . Таким образом, для 0 <V на <V- ом выходе равно входу логического 0, а V th <V на <V dd равно входу логики 1 для инвертора.
Характеристики, показанные на рисунке, идеальны. Обобщенная структура схемы инвертора nMOS показана на рисунке ниже.
Из приведенного рисунка видно, что входное напряжение инвертора равно напряжению затвора на исток nMOS-транзистора, а выходное напряжение инвертора равно напряжению на выходе истока nMOS-транзистора. Напряжение между источником и подложкой nMOS также называется драйвером для транзистора, который заземлен; поэтому V SS = 0. Выходной узел связан с сосредоточенной емкостью, используемой для VTC.
Инвертор резистивной нагрузки
Базовая структура инвертора резистивной нагрузки показана на рисунке ниже. Здесь тип расширения nMOS действует как транзистор драйвера. Нагрузка состоит из простого линейного резистора R L. Питание схемы V DD, а ток стока I D равен току нагрузки I R.
Схема работы
Когда вход транзистора возбуждения меньше порогового напряжения V TH (V в <V TH ), транзистор возбуждения находится в области среза и не проводит никакого тока. Таким образом, падение напряжения на нагрузочном резисторе равно нулю, а выходное напряжение равно V DD . Теперь, когда входное напряжение еще больше возрастает, транзистор драйвера начнет проводить ненулевой ток, и nMOS перейдет в область насыщения.
Математически,
ID= fracKn2 left[VGS−VTO right]2
При дальнейшем увеличении входного напряжения транзистор драйвера войдет в линейную область, и выходной транзистор драйвера уменьшится.
ID= fracKn22 left[VGS−VTO right]VDS−V2DS
Показатель VTC резистивного нагрузочного преобразователя, показанный ниже, указывает режим работы транзистора драйвера и точки напряжения.
Инвертор с нагрузкой MOSFET типа N
Основное преимущество использования MOSFET в качестве устройства нагрузки состоит в том, что кремниевая область, занимаемая транзистором, меньше, чем площадь, занимаемая резистивной нагрузкой. Здесь MOSFET является активной нагрузкой, а инвертор с активной нагрузкой дает лучшую производительность, чем инвертор с резистивной нагрузкой.
Увеличение нагрузки NMOS
Два инвертора с нагрузочным устройством улучшенного типа показаны на рисунке. Нагрузочный транзистор может работать либо в области насыщения, либо в линейной области, в зависимости от напряжения смещения, приложенного к его клемме затвора. Инвертор нагрузки с насыщенным повышением показан на рис. (А). Это требует единого источника питания и простого процесса изготовления, поэтому V OH ограничивается V DD — V T.
Линейный повышающий преобразователь нагрузки показан на рис. (Б). Он всегда работает в линейной области; поэтому уровень V OH равен V DD .
Линейный инвертор нагрузки имеет более высокий запас по сравнению с инвертором с насыщенным усилением. Но недостаток инвертора линейного усиления заключается в том, что он требует двух отдельных источников питания, и обе схемы страдают от высокого рассеивания мощности. Поэтому инверторы повышения качества не используются ни в каких крупных цифровых приложениях.
Истощение нагрузки NMOS
Недостатки повышающего инвертора нагрузки могут быть преодолены с помощью инвертора с понижающей нагрузкой. По сравнению с повышающим преобразователем нагрузки преобразователь истощающей нагрузки требует несколько дополнительных этапов изготовления канального имплантата для регулировки порогового напряжения нагрузки.
Преимущества инвертора с понижающей нагрузкой — резкий переход VTC, лучший запас шума, одиночный источник питания и меньшая общая площадь компоновки.
Как показано на рисунке, затвор и терминал нагрузки нагрузки соединены; Итак, V GS = 0. Таким образом, пороговое напряжение нагрузки является отрицательным. Следовательно,
VGS,load>VT,load выполнено
Следовательно, нагрузочное устройство всегда имеет проводящий канал независимо от уровня входного и выходного напряжения.
Когда транзистор нагрузки находится в области насыщения, ток нагрузки определяется как
$$ I_ {D, load} = \ frac {K_ {n, load}} {2} \ left [-V_ {T, load} \ left (V_ {out} \ right) \ right] ^ {2} $ $
Когда транзистор нагрузки находится в линейной области, ток нагрузки определяется как
$$ I_ {D, загрузка} = \ frac {K_ {n, загрузка}} {2} \ left [2 \ left | V_ {T, загрузка} \ left (V_ {out} \ right) \ right |. \ Left (V_ {DD} -V_ {out} \ right) — \ left (V_ {DD} -V_ {out} \ right ) ^ {2} \ right] $$
Характеристики передачи напряжения инвертора обедненной нагрузки показаны на рисунке ниже —
КМОП инвертор — схема, работа и описание
Схема инвертора CMOS показана на рисунке. Здесь транзисторы nMOS и pMOS работают как транзисторы драйвера; когда один транзистор включен, другой выключен.
Эта конфигурация называется дополнительной MOS (CMOS) . Вход подключен к клемме затвора обоих транзисторов, так что оба могут управляться напрямую с входными напряжениями. Подложка nMOS подключена к земле, а подложка pMOS подключена к источнику питания, V DD .
Таким образом, V SB = 0 для обоих транзисторов.
VГ.С.,п=Vв
VDS,п=Vиз
А также,
VГ.С.,р=Vв−VDD
VDS,р=Vиз−VDD
Когда вход nMOS меньше порогового напряжения (V в <V TO, n ), nMOS отключается, а pMOS находится в линейной области. Таким образом, ток утечки обоих транзисторов равен нулю.
ID,N=ID,P=0
Следовательно, выходное напряжение V OH равно напряжению питания.
Vиз=VОН=VДД
Когда входное напряжение больше, чем V DD + V TO, p , транзистор pMOS находится в области отсечки, а nMOS — в линейной области, поэтому ток стока обоих транзисторов равен нулю.
ID,N=ID,P=0
Следовательно, выходное напряжение V OL равно нулю.
Vиз=VOL=0
NMOS работает в области насыщения, если V in > V TO и если выполняются следующие условия.
VDS,n geqVGS,n−VTO,n
Vout geqVin−VTO,n
PMOS работает в области насыщения, если V в <V DD + V TO, p и если выполняются следующие условия.
VDS,p leqVGS,p−VTO,p
Vout leqVin−VTO,p
Для разных значений входных напряжений рабочие области перечислены ниже для обоих транзисторов.
| Область, край | V в | V out | NMOS | PMOS |
|---|---|---|---|---|
| <V TO, n | V OH | Отрезать | линейный | |
| В | V IL | Высокая ≈ V OH | насыщение | линейный |
| С | V й | V й | насыщение | насыщение |
| D | V IH | Низкая ≈ V OL | линейный | насыщение |
| Е | > (V DD + V TO, р ) | V OL | линейный | Отрезать |
VTC CMOS показан на рисунке ниже —