反相器反相器的應(yīng)用

CMOS 反相器憑借其互補結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)勢成為于數(shù)字電路設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的一種器件。CMOS 反相器是由 n-MOSFET 與 p-MOSFET 組成的互補推拉式結(jié)構(gòu)，n-MOSFET 作為驅(qū)動管(下拉管)，p-MOSFET 作為負載管(上拉管）。包含 p-n-p-n 寄生結(jié)構(gòu)的 CMOS 基本結(jié)構(gòu)示意圖，兩個晶體管的柵極連接在一起，作為信號輸入端；兩個晶體管的襯底分別與它們的源極連接在一起，n-MOSFET 的源極接地 GND，p-MOSFET 的源極接電源電壓 Vdd；n-MOSFET 與 p-MOSFET 的漏極連接在一起作為反相器的輸出端。為了在集成電路中制造 n-MOSFET 和 p-MOSFET，必須形成絕緣的 p 襯底區(qū)和 n 襯底區(qū)，因此，CMOS 集成電路中具有 n 阱、p 阱和雙阱這三種工藝，本文針對 n 阱工藝下 CMOS 反相器進行研究，即在重摻雜的 p 型襯底硅上先生長一層輕摻雜 p 型外延層，然后通過 n 阱擴散工藝形成 n 阱，之后再制作場氧化層和柵氧化層，利用雜質(zhì)注入的方式形成源漏區(qū)和高摻雜擴散區(qū)，最后淀積和刻蝕出金屬化電極并對器件表面進行一定程度的鈍化保護。這種情況下CMOS 結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成寄生的 n-p-n 雙極型晶體管 Q1 和 p-n-p 雙極型晶體管 Q2，Rsub和 Rwell代表 p 型襯底電阻和 n 阱電阻。在實際應(yīng)用時，CMOS 反相器電路可能還會包含諸如靜電放電(electrostatic discharge, ESD)保護電路、閂鎖防護電路以及輸入施密特整形電路等其它附屬電路。

關(guān)于 HPM 效應(yīng)的實驗主要有兩種方法，即輻照法和注入法。輻照法是指 HPM 以空間電磁波方式對目標(biāo)電子系統(tǒng)進行輻照，得到的是電子系統(tǒng)的 HPM 效應(yīng)閾值。輻照法主要針對電子系統(tǒng)，能夠比較真實地模擬實際應(yīng)用環(huán)境中電子系統(tǒng)的 HPM 電磁輻射環(huán)境，是獲取電子系統(tǒng)整機 HPM 效應(yīng)閾值的最有效手段；但是這種方法也存在缺點，為了較為真實地模擬實際情況，實驗要求較高：微波波束需要覆蓋整個目標(biāo)電子系統(tǒng)，并且照射強度均勻，這就要求微波源輻射天線與效應(yīng)物之間的距離不能太小，但是通常實驗需要在特定的微波暗室中進行，實驗空間有限，難以滿足輻照均勻的要求。另外，輻照實驗從 HPM 源到電子系統(tǒng)內(nèi)部元器件須經(jīng)過電磁傳輸和耦合等復(fù)雜過程，不利于對電子系統(tǒng) HPM 效應(yīng)機理進行分析。注入法是指 HPM 以傳導(dǎo)方式注入目標(biāo)效應(yīng)物的敏感端口，觀測其瞬態(tài)響應(yīng)。注入法主要針對單元電路或器件，更適合于 HPM 效應(yīng)規(guī)律、效應(yīng)機理及敏感環(huán)節(jié)研究。注入法相對于輻照法更容易實現(xiàn)，對實驗環(huán)境的要求相對較低，可以在普通實驗室完成，主要需要解決兩個問題：一是減小注入通道的微波駐波系數(shù)，提高微波注入效率，使更多的微波功率進入目標(biāo)電路或器件；二是要做好微波源和效應(yīng)目標(biāo)之間的隔離，避免相互影響和破壞，主要隔離措施有衰減、高通/低通濾波和隔離等。

反相器TTL非門

典型TTL與非門電路電路組成：輸入級——晶體管T1和電阻Rb1構(gòu)成。中間級——晶體管T2和電阻Rc2、Re2構(gòu)成。輸出級——晶體管T3、T4、D和電阻Rc4構(gòu)成，推拉式結(jié)構(gòu)，在正常工作時，T4和T3總是一個截止，另一個飽和。當(dāng)輸入Vi=3.6V(高電平)Vb1=3.6 0.7=4.3V 足以使T1(bc結(jié))T2(be結(jié))T3 (be結(jié))同時導(dǎo)通, 一但導(dǎo)通Vb1=0.7 0.7 0.7=2.1V(固定值),此時V1發(fā)射結(jié)必截止(倒置放大狀態(tài))。Vc2=Vces Vbe2=0.2 0.7=0.9V 不足以T3和D同時導(dǎo)通,T4和D均截止。V0=0.2V (低電平)當(dāng)輸入Vi=0.2V(低電平)Vb1=0.2 0.7=0.9V不 足以使T1(bc結(jié))T2(be結(jié))T3 (be結(jié))同時導(dǎo)通,T2 T3均截止, 同時Vcc---Rc2----T4---D---負載形成通路,T4和D均導(dǎo)通。V0=Vcc-VRc2(可略)-Vbe4-VD=5-0.7-0.7 =3.6(高電平)結(jié)論:輸入高,輸出低;輸入低,輸出高(非邏輯)。TTL優(yōu)勢：工作速度快 、帶負載能力強 、傳輸特性好。TTL反相器的電壓傳輸特性：電壓傳輸特性是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，即UO=f(uI)函數(shù)關(guān)系。其曲線大致分為四段：AB段(截止區(qū))：當(dāng)UI≤0.6V時，T1工作在深飽和狀態(tài)，Uces1<0.1V，Vbe2<0.7V，故T2、 T3截止，D、T4均導(dǎo)通， 輸出高電平UOH=3.6V。TTL反相器的電壓傳輸特性 BC段(線性區(qū))：當(dāng)0.6V≤UI<1.3V時，0.7V≤Vb2<1.4V，T2開始導(dǎo)通，T3尚未導(dǎo)通。此時T2處于放大狀態(tài)，其集電極電壓Vc2隨著UI的增加而下降，使輸出電壓UO也下降 。CD段(轉(zhuǎn)折區(qū))：1.3V≤UI<1.4V，當(dāng)UI略大于1.3V時， T2 T3均導(dǎo)通， T3進入飽和狀態(tài)，輸出電壓UO迅速下降。DE段(飽和區(qū))：當(dāng)UI≥1.4V時，隨著UI增加 T1進入倒置工作狀態(tài)，D截止，T4截止，T2、T3飽和，因而輸出低電平UOL=0.3V。

反相器CMOS反相器

CMOS反相器電路由兩個增強型MOS場效應(yīng)管組成，其中V1為NMOS管，稱驅(qū)動管，V2為PMOS管，稱負載管。 NMOS管的柵源開啟電壓UTN為正值，PMOS管的柵源開啟電壓是負值，其數(shù)值范圍在2~5V之間。為了使電路能正常工作，要求電源電壓UDD>(UTN |UTP|)。UDD可在3~18V之間工作，其適用范圍較寬。工作原理：當(dāng)UI=UIL=0V時，UGS1=0，因此V1管截止，而此時|UGS2|>|UTP|，所以V2導(dǎo)通，且導(dǎo)通內(nèi)阻很低，所以UO=UOH≈UDD， 即輸出為高電平。當(dāng)UI=UIH=UDD時，UGS1=UDD>UTN，V1導(dǎo)通，而UGS2=0<|UTP|，因此V2截止。此時UO=UOL≈0，即輸出為低電平。 可見，CMOS反相器實現(xiàn)了邏輯非的功能。CMOS反相器的主要特性：在AB段由于V1截止，阻抗很高，所以流過V1和V2的漏電流幾乎為0。 在CD段V2截止，阻抗很高，所以流過V1和V2的漏電流也幾乎為0。只有在BC段，V1和V2均導(dǎo)通時才有電流iD流過V1和V2，并且在UI=1/2UDD附近，iD最大。

反相器HPM 擾亂效應(yīng)

基于 CMOS 反相器仿真模型，研究了溫度變化對反相器 HPM 擾亂效應(yīng)的影響。研究表明，反相器所處環(huán)境溫度越高對 HPM 越敏感，這一結(jié)論得到了實驗數(shù)據(jù)的驗證，同時又擴充了實驗數(shù)據(jù)所適用的溫度范圍。研究認為，襯底電阻增大是環(huán)境溫度升高時反相器 HPM 擾亂效應(yīng)敏感性增加的主要原因。仿真得到了 HPM 引起的反相器門鎖延時特性，通過對溫度分布影響的分析，論文指出閂鎖延時特性與熱邊界條件密切相關(guān)，器件內(nèi)部平均溫度持續(xù)上升導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)的大電流通路阻抗增大，從而使得閂鎖效應(yīng)難以繼續(xù)維持，這一結(jié)論為文獻中報道的閂鎖延時特性提供了微觀解釋CMOS 反相器的 HPM 擾亂效應(yīng)機理出發(fā)，建立了考慮 HPM 脈寬效應(yīng)和頻率影響的擾亂效應(yīng)閾值解析模型，并利用仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對解析模型進行了驗證。研究認為，HPM 導(dǎo)致的過剩載流子注入主導(dǎo)晶體管的電流放大過程，對擾亂效應(yīng)至關(guān)重要。HPM 擾亂脈寬效應(yīng)可以用反相器寄生晶體管基區(qū)過剩載流子隨時間的累積效應(yīng)來解釋；而 HPM 頻率對擾亂效應(yīng)的影響則是由于 HPM 頻率較高時器件內(nèi)部交變電場變化太快以致于載流子無法響應(yīng)，從而影響了 p 型襯底中的注入電荷總量和過剩載流子濃度分布。利用解析模型研究了結(jié)構(gòu)參數(shù) LB對擾亂效應(yīng)的影響，結(jié)果表明 LB較小的 CMOS 反相器對 HPM 更敏感。

反相器是可以將輸入信號的相位反轉(zhuǎn)180度，這種電路應(yīng)用在模擬電路，比如說音頻放大，時鐘振蕩器等。在電子線路設(shè)計中，經(jīng)常要用到反相器。隨著微電子技術(shù)與工藝的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以計算機為代表的各類數(shù)字電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，與此同時也面臨著更加復(fù)雜的電磁環(huán)境。CMOS 反相器是幾乎所有數(shù)字集成電路設(shè)計的核心，它具有較大的噪聲容限、極高的輸入電阻、極低的靜態(tài)功耗以及對噪聲和干擾不敏感等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路中。HPM可以通過縫隙、孔洞以及外露連接線纜等“后門”途徑，耦合進入電子系統(tǒng)內(nèi)部，影響系統(tǒng)內(nèi)器件的正常工作，CMOS 反相器作為構(gòu)成數(shù)字集成電路最基礎(chǔ)的功能單元和數(shù)字電子系統(tǒng)中最為典型的器件，極易受 HPM“后門”耦合作用的影響，進而產(chǎn)生干擾、擾亂或直接損傷效應(yīng)。另外，CMOS 反相器有明確的邏輯功能，HPM 或者其它類型的強電磁脈沖對其產(chǎn)生的擾亂效應(yīng)相比于對其它器件來講更加明顯。因此，研究數(shù)字集成電路或者數(shù)字電子系統(tǒng)的 HPM 效應(yīng)，可以從 CMOS 反相器的HPM 效應(yīng)研究入手。已有研究指出 HPM 可以引起 CMOS 反相器的閂鎖(latch-up)效應(yīng)，進而導(dǎo)致擾亂效應(yīng)，Kim等人對CMOS反相器的HPM效應(yīng)進行了大量的實驗研究，得到了一些重要結(jié)論，比如，當(dāng)HPM頻率較高時其引發(fā)的CMOS反相器擾亂效應(yīng)將會被抑制等， CMOS 反相器在 HPM 作用下會發(fā)生閂鎖效應(yīng)并導(dǎo)致功能擾亂，但是一段時間后其功能可能會恢復(fù)正常，HPM 引起 CMOS 反相器閂鎖效應(yīng)的能量閾值特性。這些報道多數(shù)都是 HPM 效應(yīng)實驗的結(jié)果描述和規(guī)律統(tǒng)計，而針對具體效應(yīng)與規(guī)律進行機理分析和微觀解釋的研究則相對較少。

反相器（英語：Inverter）也稱非門（英語：NOT gate），是數(shù)字邏輯中實現(xiàn)邏輯非的邏輯門，功能見右側(cè)真值表。

這種功能代表了數(shù)字電路中理想開關(guān)表現(xiàn)的假定，但是在實際的反相器設(shè)計中，元件有其需要特別關(guān)注的電氣特性。實際上，CMOS反相器的非理想過渡區(qū)表現(xiàn)使其能在模擬電路中用作A類功率放大器（如作為運算放大器的輸出級）。 2100433B

圖1表示一基本反相器電路及其邏輯符號。

在其傳輸特性圖中標(biāo)出了BJT的三個工作區(qū)域。對于飽和型反相器來說 ，輸入信號必須滿足下列條件：邏輯0：Vi V2

由傳輸特性可見：

當(dāng)輸入為邏輯0時，BJT將截止，輸出電壓將接近于VCC，即邏輯1。

當(dāng)輸入為邏輯1時，BJT將飽和導(dǎo)通，輸出電壓約為0.2～0.3V，即為邏輯0。

可見反相器的輸出與輸入量之間的邏輯關(guān)系是非邏輯關(guān)系。

雖然利用以上基本的與、或、非門，可以實現(xiàn)與、或、非三種邏輯運算。但是由于它們的輸出電阻比較大，帶負載的能力差，開關(guān)性能也不理想，因此基本的與、或、非門不具有實用性。解決的辦法之一是采用二極管與三極管門的組合，組成與非門、或非門，也就是所謂的 復(fù)合門電路。與非門和或非門在負載能力 、工作速度和可靠性方面都大為提高，是邏輯電路中最常用的基本單元。2100433B