CN108155901B - 一种抗参数漂移反相器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种抗参数漂移反相器，在保证功能正确的前提下，有效得解决外界因素所引起的反相器的参数漂移问题，包括：低噪声容限减小、输出高电平降低和传输特性左移；该反相器结构具有：一个主反相器，一个补偿NMOS管，一条补偿支路，其中补偿支路包括：一个控制NMOS管和一个电流镜结构；主反相器实现正常的反相功能，补偿NMOS管和补偿支路用于补偿外界因素所引起的反相器的参数漂移，此外，控制管还用于控制补偿支路的工作与否，从而有效的将功耗降到最低。

Description

一种抗参数漂移反相器
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及了一种抗参数漂移反相器。
背景技术
外界因素导致MOSFET中SiO2受到电离作用，其内部产生电子空穴对使得SiO2和Si-SiO2界面中正陷阱电荷的产生与积累，进而引起MOS管阈值电压负向漂移，对于NMOS而言，阈值电压不断减小，而PMOS的阈值电压不断增大。同时，外界因素使MOS管中鸟嘴边缘产生陷阱电荷，当电荷积累达到阈值后，寄生MOS管效应导致漏电流的产生。
反相器作为数字集成电路设计中的基本模块，其性能对数字电路系统有直接的影响，而外界因素所引起MOSFET参数的改变，进一步导致反相器的关键参数的漂移。附图1所示为常见的普通反相器，通常情况下，其对应的噪声容限为：
低电平噪声容限：
NM0=V01≈Vtn0 (1)
高电平噪声容限：
NM1=Vdd-V10≈ |Vtp0| (2)
其中Vtn0为NMOS管的阈值电压，Vtp0为PMOS管的阈值电压。
当受到外界因素作用时，NMOS管的阈值电压减小了ΔVthn，PMOS管的阈值电压增大了ΔVthp，此时，MOSFET对应的阈值电压为：
NMOS管：
Vtn’=Vtn0-ΔVtn (3)
PMOS管：
|Vtp’|=|Vtp0|+ΔVtp (4)
此时，普通反相器的噪声容限变为：
低电平噪声容限：
NM0=V01’≈Vtn0-ΔVtn (5)
高电平噪声容限：
NM1=Vdd-V10’≈|Vtp0|+ΔVtp (6)
上述推导公式表明外界因素的作用引起SiO2和界面中的电荷积累会导致反相器的低电平噪声容限减小，而高电平噪声容限增大，进而引起普通反相器传输特性曲线向左偏移。同时，当反相器输出为高电平时，NMOS管存在的漏电流会导致反相器的输出高电平下降。针对上述问题，有必要采取相应措施进行改善。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供了一种抗参数漂移反相器，可以有效解决由外界因素所导致的反相器的参数漂移，包括：低电平噪声容限减小、输出高电平下降和传输特性曲线漂移。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种抗参数漂移反相器，其特征在于：包括一个PMOS管P0和四个NMOS管N0、N1、N2、N3和N4，其中PMOS管P0和NMOS管N0构成主反相器，主反相器对输入信号进行反相；NMOS管N1为控制管，NMOS管N2和N3为电流镜结构，NMOS管N1、N2和N3共同构成补偿支路；NMOS管N4为补偿管。
所述主反相器的PMOS管P0的源端接电源，PMOS管P0的栅端接输入信号，PMOS管P0的漏端接NMOS管N0的漏端，并且PMOS管P0的漏端作为主反相器的输出端，且NMOS管N0的漏端作为输出端，NMOS管N0的栅端接输入信号，NMOS管N0的源端接地。
所述补偿支路中的控制管为NMOS管N1，所述电流镜结构包括两个NMOS管N2、N3；控制管N1的漏端接电源，控制管N1的栅端接主反相器的输出端，控制管N1的源端接NMOS管N3的栅端；NMOS管N2的漏端和栅端相连并与NMOS管N3的栅端连接，NMOS管N2的源端接地，NMOS管N3的漏端接电源，NMOS管N3的源端、NMOS管N0的源端和NMOS管N4的漏端连接。
所述补偿管的NMOS管N4的漏端与主反相器的NMOS管N0的源端相连接，NMOS管N4的栅端连接输入信号，NMOS管N4的源端连接地。
控制管N1的栅端由主反相器的输出端控制，当输出为高时，NMOS管N1导通，电流镜结构工作，NMOS管N3的导通将主反相器中的NMOS管N0的源端提升到电源电压，保证NMOS管N0更有效的关闭，减小了关态漏电流，从而保证主反相器输出高电平的稳定；当输出为低时，NMOS管N1关断，电流镜结构停止工作，通过NMOS管N1控制补偿支路的工作与否，降低整个反相器的功耗。
NMOS管N1、N2和N3共同构成的补偿支路在不需要其提供补偿作用时，处于关断状态，能够降低电路整体功耗。
本发明的有益效果如下：
本发明可以有效解决由外界因素所导致的反相器的参数漂移；其中采用的补偿管提供的电压Vx可以抵消外界因素引起的主反相器中N0管的阈值电压漂移ΔVtn，有效地解决了主反相器低电平噪声容限减小、传输特性曲线左移的问题；设计的补偿支路在不需要其提供补偿作用时，处于关断状态情况下，能够降低电路整体功耗；如果合理设置补偿支路尺寸，使得Vx=ΔVtn，则能够保证反相器功能的稳定性。
附图说明
图1为传统普通的反相器的电路结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明用于与非门中的应用示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种抗参数漂移反相器，包括一个PMOS管P0和四个NMOS管N0、N1、N2、N3和N4，其中P0管和N0管构成主反相器，主反相器对输入信号进行反相；N1为控制管，N2和N3为电流镜结构，N1、N2和N3共同构成补偿支路；N4为补偿管。
所述主反相器的P0的源端接电源，P0管的栅端接输入信号，P0管的漏端接N0管的漏端，并且P0管的漏端作为主反相器的输出端，且N0管的漏端作为输出端，N0管的栅端接输入信号，N0管的源端接地。
所述补偿支路中，控制管N1的漏端接电源，控制管N1的栅端接主反相器的输出端，控制管 N1的源端接N3管的栅端；N2管的漏端和栅端相连并与N3管的栅端连接，N2管的源端接地，N3管的漏端接电源，N3管的源端、N0管的源端和 N4管的漏端连接。
所述补偿管N4的漏端与主反相器N0管的源端相连接，补偿管N4的栅端连接输入信号，补偿管N4的源端连接地。
控制管N1的栅端由主反相器的输出端控制，当主反相器的输出为高电平时，控制管N1导通，电流镜结构工作，N3管的导通将主反相器中的N0管的源端提升到电源电压，保证N0管更有效的关闭，减小了关态漏电流，从而保证主反相器输出高电平的稳定；当主反相器的输出为低电平时，控制管N1关断，电流镜结构停止工作，通过控制管N1控制补偿支路的工作与否，降低整个反相器的功耗。
当补偿支路正常工作时，补偿管N4截止，N3导通，将N0与x点电压上拉至电源。当补偿支路不工作时，补偿管N4先于N0管导通，控制管N1逐渐关断，其电流减小，对应的N3管上电流减小，电流流过补偿管N4，则为N0管的源端提供了电位Vx， 主反相器的低电平噪声容限变为
NM0=Vtn’+Vx (7)
将式(1)带入上式，得到
NM0=Vtn0- ΔVtn+Vx (8)
其中，NM0为反相器的低电平噪声容限，Vtn0为未受外界因素作用时N0管的原始阈值电压，Vtn’为外界因素作用后N0管的阈值电压，ΔVtn为N0管的阈值电压变化量，Vx为x点的电压值。
从式（8）看出，N4管提供的Vx可以抵消外界因素引起的阈值电压的漂移ΔVtn，有效的解决了主反相器低电平噪声容限减小、传输特性曲线左移的问题。如果合理设置补偿支路尺寸，使得Vx=ΔVtn，则能够保证反相器功能的稳定性。
将该反相器用于与非门逻辑，得到的电路结构图如图3所示。通过四个NMOS管N2、N3、N4和N5对与非门中存在的参数漂移进行补偿，保证与非门逻辑特性的稳定。

Claims (2)

1.一种抗参数漂移反相器，其特征在于包括：
一个主反相器，用于将输入信号进行反相，包括具有输入端和输出端，输入端连接输入信号；
一个补偿支路和一个补偿管，补偿支路和补偿管一起用于补偿外界因素引起反相器的参数漂移；所述补偿支路包括控制管和电流镜结构，控制管由主反相器的输出端控制导通或关断；当控制管导通时，电流镜结构工作；当控制管关断时，电流镜结构停止工作；
所述主反相器包括一个PMOS管P0和一个NMOS管N0；所述PMOS管P0的源端接电源，PMOS管P0的栅端接输入信号，PMOS管P0的漏端接NMOS管N0的漏端，并且PMOS管P0的漏端作为主反相器的输出端，NMOS管N0的漏端作为输出端，NMOS管N0的栅端接输入信号，NMOS管N0的源端接地；
所述补偿支路中的控制管为NMOS管N1，所述电流镜结构包括两个NMOS管N2、N3，所述补偿管为一个NMOS管N4；控制管N1的漏端接电源，控制管N1的栅端接主反相器的输出端，控制管N1的源端接NMOS管N3的栅端；NMOS管N2的漏端和栅端相连并与NMOS管N3的栅端连接，NMOS管N2的源端接地，NMOS管N3的漏端接电源，NMOS管N3的源端、NMOS管N0的源端和NMOS管N4的漏端连接；NMOS管N4的漏端与主反相器的NMOS管N0的源端相连接，NMOS管N4的栅端连接输入信号，NMOS管N4的源端连接地。
2.如权利要求1所述的一种抗参数漂移反相器，其特征在于：当主反相器的输出高电平时，控制管N1导通，电流镜结构工作；当主反相器当输出低电平时，控制管N1关断，电流镜结构停止工作；通过控制管N1控制补偿支路的工作，用于降低反相器的功耗。
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