標籤：

數字電子技術電子技術

mos晶元輸出驅動為什麼一般用pmos做上管，nmos做下管?

01-16

mos晶元輸出驅動為什麼一般用pmos做上管，nmos做下管

不只是輸出驅動. 整個數字 CMOS (Complementary-MOSFET) Technology的核心都是: PMOS Pull-up, NMOS Pull-down.

原因是PMOS適合傳導高電平 (接近VDD), NMOS適合傳導低電平(接近GND/VSS).

在CMOS Technology下, 正常NMOS是長這樣的:

NMOS一階電流公式是: $I_D = K imes W/L imes ( (V_{GS} - V_T) imes V_{MIN} - V_{MIN}^2 / 2); where V_{MIN} = MIN[V_{DS}, V_{GS} - V_T]$

在線性區工作時 $V_{MIN} = V_{DS}$ , 流過的電流正比於 $V_{GS}$ ; 定義 $g_m = dI_D / dV_{GS}$ (小信號模型, 電流放大比).

其中: $V_D geq V_S$

那麼假設我們用NMOS來傳輸一個高電平: 我們就需要這麼連接:

假設目標節點初始值為0, 對其充電時 $V_D = VDD; V_G =VDD$

充電時, NMOS一直處於飽和區( $V_{MIN} = V_{GS} - V_T$ )

電流就源源不斷的沖向目標節點...

$V_{GS} Rightarrow 0$

等等... 發現有個問題了沒?

在飽和區, 電流公式變為: $I_D = K imes W/L imes ( (V_{GS} - V_T)^2 / 2);$

也就是說 , 當 $V_{GS} Rightarrow V_T$ 的時候, 電流已經基本沒有了啊..

這個時候, 理論上 $V_{S, Final} = VDD - V_T$

根本充不到 $VDD$

那換成PMOS呢?來看看:

電流公式類似:

$I_D = K imes W/L imes ( (V_{SG} - |V_T|) imes V_{MIN} - V_{MIN}^2 / 2); where V_{MIN} = MIN[V_{SD}, V_{SG} - |V_T| ]$

注意由於對於PMOS來說, 源極電壓高於漏極, 一般高於柵極, 所以電壓下標反過來.

那麼如果用PMOS傳輸一個高電平:

同樣, 假設初始 $V_S = VDD; V_G =VDD$

最開始, 當 $V_{SD} geq V_{SG} - |V_T|$ 時, PMOS工作在飽和區:

$I_D = K imes W/L imes ( (V_{SG} - |V_T|)^2 / 2)$

接著, 等到 $V_{SD} < V_{SG} - |V_T|$ 時; PMOS進入線性工作區

$I_D = K imes W/L imes ( (V_{SG} - |V_T|) imes V_{SD} - V_{SD}^2 / 2)$

注意, 當 $V_{SD}$ 很小的時候, $I_D$ 變成了一個正比於 $V_{SD}$ 的量, 也就是說, 直到把目標節點的電壓充到和 $V_{S}$ 相等時, 這個電流才會歸零.

所以PMOS成功的傳輸了一個高電平到目標節點; 而NMOS只能傳送到 $VDD - V_T$ 的電壓; 對於數字電路來說這個電壓可能是不允許的.

歸納一下: 由於MOS管的工作原理, 我們希望充電/放電的時候源極和柵極之間的電壓差 ( $V_{GS}$ ) 保持高於閾值電壓不變; 這樣才能保證在充/放電完成之前, MOS管不會被關斷.

NMOS傳輸低電平的原理類似. 在此不贅述; 權當給各位感興趣的練手了.

本文沒有禁止轉載. 但是也勞煩微信公眾號們不要抓取我不希望你們轉載的其他回答. 暫且不掛出來.

其他回答中有些圖如果傳出去是可以引起保密協議糾紛的.

我來解釋一下為什麼用NMOS做PDN

輸出電容最初被充電至VDD。在放電時，一個NMOS器件將輸出一直下拉至GND，而一個PMOS只能把輸出拉低到VTHp為止，此時PMOS關斷並停止提供放電電流。因此NMOS管適於用在PDN中

為什麼是P上，N下呢。怎麼不是N上P下？很簡單，就是因為考慮到驅動的便利性。上管也可以和下管一樣直接一個不需要隔離，不需要浮地的驅動信號即可。

推薦閱讀：

※為什麼電容是線性元件？
※電解電容的工作原理是怎樣的？為什麼電解電容分正負極但給它通交流信號它不會爆？
※無線滑鼠哪家強？求品牌和型號（買來送給男票打遊戲用）?
※調幅廣播頻率這麼低也能發射，什麼原理？
※如何看待「英國14歲男孩自製衛星通過測試有望明年發射升空」?

TAG:數字電子技術 | 電子技術 |