CN206353779U - 一种抗参数漂移反相器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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
技术领域
本实用新型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。
实用新型内容
本实用新型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，本实用新型的技术方案如下：
一种抗参数漂移反相器，其特征在于：包括一个主反相器，包括具有输入端和输出端，用于对输入信号进行反相；用于补偿外界因素引起反相器的参数漂移的补偿支路和补偿管；所述补偿支路包括控制管和电流镜结构。
所述主反相器由一个PMOS管P0和一个NMOS管N0构成，PMOS管P0的源端接电源，PMOS管P0的漏端接NMOS管N0的漏端；所述NMOS管N0的漏端接PMOS管P0的源端，NMOS管N0的源端接地。所述NMOS管N0的漏端作为输出端，NMOS管N0的栅端和PMOS管P0的栅端连接作为主反相器的输入端；所述PMOS管P0的漏端作为主反相器的输出端。
所述补偿支路包括NMOS管N1、N2和N3，NMOS管N1为控制管，NMOS管N2和N3为电流镜结构。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；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。
所述补偿管为一个NMOS管N4，其中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。
控制管的NMOS管N1的栅端由主反相器的输出端控制，当输出为高电平时，控制管N1导通，电流镜结构工作，N3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。当补偿支路正常工作时，NMOS管N4截止，NMOS管N3导通。将NMOS管N3的源端、NMOS管N0的源端和NMOS管N4的漏端的连接点，即x点电压上拉至电源。当输入由低向高转变时，NMOS管N4先于NMOS管N0导通，NMOS管N1逐渐关断，其电流减小，对应的NMOS管N3上电流减小，电流流过NMOS管N4，则为NMOS管N0的源端提供了x点的电位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NMOS管N0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，本实用新型的NMOS管N4提供的电压Vx可以抵消外界因素引起的N0管的阈值电压漂移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。
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为本实用新型的电路结构示意图；
图3为本实用新型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，包括一个主反相器，包括具有输入端和输出端，用于对输入信号进行反相；用于补偿外界因素引起反相器的参数漂移的补偿支路和补偿管；所述补偿支路包括控制管和电流镜结构。
所述主反相器由一个PMOS管P0和一个NMOS管N0构成，P0的源端接电源，P0的漏端接N0的漏端；所述N0的漏端接P0的源端，N0的源端接地。所述N0的漏端作为输出端， N0的栅端和P0的栅端连接作为主反相器的输入端；所述P0的漏端作为主反相器的输出端。
所述补偿支路包括NMOS管N1、N2和N3，N1为控制管，N2和N3为电流镜结构。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； N2的漏端和栅端相连并与N3的栅端连接，N2的源端接地，N3的漏端接电源，N3的源端、N0的源端和N4的漏端连接。
所述补偿管为一个NMOS管N4，N4的漏端与主反相器的N0的源端相连接，N4的栅端连接输入信号，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，当输出为高电平时，控制管N1导通，电流镜结构工作，N3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；当输出为低电平时，控制管N1关断，补偿支路停止工作，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。
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。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。当输入由低向高转变时，补偿管N4先于N0管导通，控制管N1管逐渐关断，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，补偿管N4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 (5)
1.一种抗参数漂移反相器，其特征在于包括：一个主反相器，包括具有输入端和输出端；用于补偿外界因素引起反相器的参数漂移的补偿支路和补偿管；所述补偿支路包括控制管和电流镜结构。
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：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的漏端接NMOS管N0的漏端；所述NMOS管N0的漏端接PMOS管P0的源端，NMOS管N0的源端接地。
3.如权利要求2所述的一种抗参数漂移反相器，其特征在于：所述主反相器中的NMOS管N0的漏端作为输出端，NMOS管N0的栅端和PMOS管P0的栅端连接作为主反相器的输入端；所述主反相器中的PMOS管P0的漏端作为主反相器的输出端。
4.如权利要求1或3所述的一种抗参数漂移反相器，其特征在于：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；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。
5.如权利要求2所述的一种抗参数漂移反相器，其特征在于：所述补偿管为一个NMOS管N4，其中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。
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| CN108155901A (zh) * | 2016-12-05 | 2018-06-12 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种抗参数漂移反相器 |
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