VLSI 설계-MOS 인버터

인버터는 모든 디지털 설계의 핵심입니다. 작동 및 속성이 명확하게 이해되면 NAND 게이트, 가산기, 곱셈기 및 마이크로 프로세서와 같은 더 복잡한 구조를 설계하는 것이 크게 단순화됩니다. 이러한 복잡한 회로의 전기적 동작은 인버터에 대해 얻은 결과를 외삽하여 거의 완벽하게 유도 할 수 있습니다.

인버터 분석은 NAND, NOR 또는 XOR과 같은 더 복잡한 게이트의 동작을 설명하기 위해 확장 될 수 있으며, 이는 승수 및 프로세서와 같은 모듈의 빌딩 블록을 형성합니다. 이 장에서는 정적 인 CMOS 인버터 또는 간단히 말해서 CMOS 인버터 인 인버터 게이트의 단일 구현에 중점을 둡니다. 이것은 확실히 현재 가장 인기가 있으므로 우리의 특별한 관심을 기울일 가치가 있습니다.

작동 원리

이상적인 인버터의 논리 기호와 진리표는 아래 그림과 같습니다. 여기서 A는 입력이고 B는 노드 전압으로 표시되는 반전 된 출력입니다. 양의 논리를 사용하면 논리 1의 부울 값은 V _{dd로 표시} 되고 논리 0은 0으로 표시됩니다. V _th 는 V _dd / 2 인 인버터 임계 전압이며 , 여기서 V _dd 는 출력 전압입니다.

출력은 0 V로 전환된다 _dd는 입력 된 V 미만인 경우 _제 . 따라서, 0 <V위한 _에서 <V _번째의 출력은 논리 0 V 입력과 같다 _번째 <V _의 <V의 _DD는 인버터 입력 로직 1과 동일하다.

그림에 표시된 특성이 이상적입니다. nMOS 인버터의 일반화 된 회로 구조는 아래 그림과 같습니다.

주어진 그림에서 인버터의 입력 전압은 nMOS 트랜지스터의 게이트-소스 전압과 같고 인버터의 출력 전압은 nMOS 트랜지스터의 드레인-소스 전압과 같다는 것을 알 수 있습니다. nMOS의 소스 대 기판 전압은 접지 된 트랜지스터 용 드라이버라고도합니다. 따라서 V _SS = 0. 출력 노드는 VTC에 사용되는 집중 커패시턴스와 연결됩니다.

저항성 부하 인버터

저항 부하 인버터의 기본 구조는 아래 그림과 같습니다. 여기에서 향상 형 nMOS는 드라이버 트랜지스터로 작동합니다. 부하는 간단한 선형 저항 R _L 로 구성됩니다 . 회로의 전원 공급 장치는 V _DD 이고 드레인 전류 I _D 는 부하 전류 I _R 과 같습니다 .

회로 작동

드라이버 트랜지스터의 입력이 임계 전압 _VTH (V _in < _VTH ) 미만이면 드라이버 트랜지스터는 차단 영역에 있으며 전류를 전도하지 않습니다. 따라서 부하 저항의 전압 강하는 ZERO이고 출력 전압은 V _{DD와 같습니다} . 이제 입력 전압이 더 증가하면 드라이버 트랜지스터가 0이 아닌 전류를 전도하기 시작하고 nMOS가 포화 영역에 들어갑니다.

수학적으로

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

입력 전압을 더 높이면 드라이버 트랜지스터가 선형 영역으로 들어가 드라이버 트랜지스터의 출력이 감소합니다.

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

아래에 표시된 저항 부하 인버터의 VTC는 드라이버 트랜지스터의 작동 모드와 전압 포인트를 나타냅니다.

N 형 MOSFET 부하가있는 인버터

MOSFET을 부하 장치로 사용하는 가장 큰 장점은 트랜지스터가 차지하는 실리콘 면적이 저항성 부하가 차지하는 면적보다 작다는 것입니다. 여기서 MOSFET은 능동 부하이고 능동 부하가있는 인버터는 저항 부하가있는 인버터보다 더 나은 성능을 제공합니다.

향상 부하 NMOS

확장형 부하 장치가있는 두 개의 인버터가 그림에 나와 있습니다. 부하 트랜지스터는 게이트 단자에 적용된 바이어스 전압에 따라 포화 영역 또는 선형 영역에서 작동 할 수 있습니다. 포화 강화 부하 인버터가 그림에 나와 있습니다. (ㅏ). 단일 전압 공급과 간단한 제조 프로세스가 필요하므로 V _OH 는 V _DD − V _T로 제한됩니다 .

선형 강화 부하 인버터가 그림에 나와 있습니다. (비). 항상 선형 영역에서 작동합니다. 그래서 V _OH 레벨은 V _{DD와 같습니다} .

선형 부하 인버터는 포화 향상 인버터에 비해 노이즈 마진이 높습니다. 그러나 선형 향상 인버터의 단점은 두 개의 별도 전원 공급 장치가 필요하고 두 회로 모두 높은 전력 손실이 발생한다는 것입니다. 따라서 확장 인버터는 대규모 디지털 애플리케이션에 사용되지 않습니다.

고갈 부하 NMOS

고갈 부하 인버터를 사용하여 향상 부하 인버터의 단점을 극복 할 수 있습니다. 강화 부하 인버터와 비교하여 공핍 부하 인버터는 부하의 임계 전압을 조정하기 위해 채널 주입을위한 제작 단계가 거의 필요하지 않습니다.

공핍 부하 인버터의 장점은 예리한 VTC 전환, 더 나은 노이즈 마진, 단일 전원 공급 장치 및 더 작은 전체 레이아웃 영역입니다.

그림과 같이 부하의 게이트와 소스 단자가 연결되어 있습니다. 따라서 V _GS = 0입니다. 따라서 부하의 임계 전압은 음수입니다. 그 후,

$$ V_ {GS, load}> V_ {T, load} $$ 만족

따라서 부하 장치에는 입력 및 출력 전압 레벨에 관계없이 항상 전도 채널이 있습니다.

부하 트랜지스터가 포화 영역에있을 때 부하 전류는

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

부하 트랜지스터가 선형 영역에있을 때 부하 전류는

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

공핍 부하 인버터의 전압 전달 특성은 아래 그림에 나와 있습니다.

CMOS 인버터 – 회로, 작동 및 설명

CMOS 인버터 회로가 그림에 나와 있습니다. 여기서 nMOS 및 pMOS 트랜지스터는 드라이버 트랜지스터로 작동합니다. 하나의 트랜지스터가 켜지면 다른 트랜지스터는 꺼집니다.

이 구성을 complementary MOS (CMOS). 입력은 두 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어 두 트랜지스터 모두 입력 전압으로 직접 구동 될 수 있습니다. nMOS의 기판은 접지에 연결되고 pMOS의 기판은 전원 공급 장치 V _DD에 연결됩니다 .

따라서 두 트랜지스터 모두에 대해 V _SB = 0입니다.

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

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

과,

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

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

nMOS의 입력이 임계 전압 (V _in <V _{TO, n} ) 보다 작 으면 nMOS가 차단되고 pMOS가 선형 영역에 있습니다. 따라서 두 트랜지스터의 드레인 전류는 0입니다.

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

따라서 출력 전압 V _OH 는 공급 전압과 동일합니다.

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

입력 전압이 V _DD + V _{TO, p} 보다 크면 pMOS 트랜지스터는 차단 영역에 있고 nMOS는 선형 영역에 있으므로 두 트랜지스터의 드레인 전류는 0입니다.

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

따라서 출력 전압 V _OL 은 0과 같습니다.

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

nMOS는 V _in > V _TO 및 다음 조건이 충족되는 경우 포화 영역에서 작동합니다 .

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

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

V _in <V _DD + V _{TO, p} 및 다음 조건이 충족되는 경우 pMOS는 포화 영역에서 작동합니다 .

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

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

입력 전압의 다른 값에 대해 두 트랜지스터의 작동 영역이 아래에 나열되어 있습니다.

부위	V in	V 아웃	nMOS	pMOS
ㅏ	<V TO, n	V OH	끊다	선의
비	V IL	높은 ≈ V OH	포화	선의
씨	V의 일	V의 일	포화	포화
디	V IH	낮음 ≈ V OL	선의	포화
이자형	> (V DD + V TO, p )	V OL	선의	끊다

CMOS의 VTC는 아래 그림과 같습니다.