一种CMOS反相器跨导系数的测量装置和方法与流程

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种cmos反相器跨导系数的测量装置和方法，可用于集成电路设计和仿真中跨导系数的提取和分析。

背景技术：

反相器是将输入信号的相位反转180度的电路。常见反相器有两种，分别是ttl非门和cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)反相器。ttl非门的输入结构和输出结构均由半导体三极管和电阻构成。cmos反相器由两个增强型mos(metaloxidesemiconductor金属氧化物半导体)组成，分别为nmos(n-metal-oxide-semiconductor，n型金属氧化物半导体)和pmos(p-metal-oxide-semiconductor，p型金属氧化物半导体)。跨导是反应mos器件栅源电压对漏极电流控制能力的参数，反应mos器件小信号放大性能。mos器件跨导的定义是当漏源电压为某一固定数值时，漏极电流的变量和引起这个变化的栅源电压之比即为跨导。在mos器件的线性区，跨导与源漏电压成正比，在mos器件的饱和区，跨导与栅源电压和阈值电压的差值成正比。跨导系数是mos的沟道宽度、沟道电子迁移率、单位面积栅电容之积与mos的沟道长度之比的二分之一。跨导系数是反应跨导增益的系数，与器件的制造工艺相关，是一个与跨导成正比的常数。通过提取mos器件的跨导系数，计算mos器件的跨导，从而获取器件的小信号放大性能，对集成电路设计和仿真有着重要的意义。

目前，跨导系数主要是通过测量mos的跨导，再根据mos的工作区的电流电压关系式计算得到。现有的跨导测量方法主要是测量mos漏极电流和栅源电压，得到mos的跨导。

现有的测量跨导的装置和方法主要有以下几种。

1、通过预设mos管的源漏电压，扫描mos管的漏极电流，获取mos管的最大跨导值。例如，申请公布号为cn105513984a，名称为“mos管的实际沟道长度的测试方法及装置”的专利申请，公开了一种跨导参数测量方法，该方法通过计算相邻的两个第一扫描点分别对应的第一漏极电流的第一差值，从多个所述第一差值中获取最大的第一差值，所述的最大的第一差值与所述间隔的比值为所述第一个mos管的最大跨导值。该方法能够通过测量计算单个mos器件的最大跨导值间接计算跨导系数，测量效率低。

2、通过测量cmos反相器内偏压电压、内反馈电阻和两个内输出电阻，计算cmos反相器的输出电阻值，将输出电阻代入相关计算公式，得到cmos反相器的跨导。例如，专利授权号为cn101846723b，名称为“跨导参数的量测方法”的中国专利，公开了一种cmos反相器跨导参数的量测方法，该跨导参数的量测方法包括：浮接反相器的输入端及输出端，并量测输出端以得到反相器的偏压电压。浮接输入端，并分别提供第一电压以及第二电压至输出端，以便从输出端量测到对应于第一电压的第一电流及对应于第二电压的第二电流。第一电压与偏压电压具有相同的电压位准。根据第一电压、第二电压、第一电流及第二电流，得到反相器的输出电阻值。根据输出电阻值，得到振荡电路的跨导。该方法测量成本较低，但是测量方法依赖了4个测量电路，装置复杂，测量时间长，不易于工程实现。

上述现有技术只能通过测量mos的跨导来间接计算mos的跨导系数。对于已封装的cmos反相器，分别测量cmos反相器内部nmos的跨导和pmos的跨导的方法测量效率低，且不易于工程实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种cmos反相器跨导系数的测量装置和方法，用于解决现有技术中存在的不能直接测量cmos反相器的跨导系数的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种cmos反相器跨导系数的测量装置，包括第一直流电源、第二直流电源、负载电阻、电压表、电流表、第一开关、第二开关和第三开关；所述第一直流电源的正极通过第一开关与待测cmos反相器输入端连接，负极通过第二开关后分为两路，一路依次通过电流表和负载电阻与待测cmos反相器的输出端连接，另一路与第三开关连接；所述第二直流电源的正极与待测cmos反相器的电源端及第三开关连接，负极接地；所述电压表与负载电阻并联。其中：

第一直流电源，用于提供待测cmos反相器的输入电压；

第二直流电源，用于提供待测cmos反相器的电源电压。

一种cmos反相器跨导系数的测量方法，包括如下步骤：

(1)第二直流电源为待测cmos反相器电源端施加直流电压vdd；

(2)闭合第一开关和第三开关，同时断开第二开关；

(3)第一直流电源为待测cmos反相器输入端施加直流电压vin；

(4)电流表和电压表测量nmos处于导通且pmos处于截止状态下的负载电阻的电流irn和负载电阻两端的电压vrn；

(5)通过电流irn和电压vrn，计算nmos的跨导系数kn；

(6)断开第一开关和第三开关，同时闭合第二开关；

(7)电流表和电压表测量pmos处于导通且nmos处于截止状态下的负载电阻的电流irp和负载电阻两端的电压vrp；

(8)通过电流irp和电压vrp，计算pmos的跨导系数kp。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过测量mos器件处于不同状态下负载电阻上的电流和电压，直接计算出mos的跨导系数，对于已封装的cmos反相器，在一个测量装置中可以同时完成nmos跨导系数和pmos跨导系数的测量，与现有技术相比，提高了测量效率。

2.本发明采用一套测量装置，通过测量mos器件处于不同状态下负载电阻上的电流和电压，一次测量出mos的跨导系数，测量装置简单，有效减少了测量时间，与现有技术相比，可操作性强，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量方法的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。本实施例中的cmos反相器以nc7szu04为例。

参照图1，一种cmos反相器跨导系数的测量装置，包括第一直流电源、第二直流电源、负载电阻、电压表、电流表、第一开关、第二开关和第三开关；所述第一直流电源的正极通过第一开关与待测cmos反相器输入端连接，负极通过第二开关后分为两路，一路依次通过电流表和负载电阻与待测cmos反相器的输出端连接，另一路与第三开关连接；所述第二直流电源的正极与待测cmos反相器的电源端及第三开关连接，负极接地；所述电压表与负载电阻并联。其中，第一直流电源，用于提供待测cmos反相器的输入电压；第二直流电源，用于提供待测cmos反相器的电源电压。

cmos反相器电源端接直流电压vdd，地端接地，保证cmos反相器处于正常工作状态下，即cmos反相器内部pmos的漏极接高电平vdd，cmos反相器内部nmos的漏极接地，保证pmos和nmos的源漏之间的电压差，使pmos和nmos处于正常工作状态。

第一开关控制第一直流电源是否为cmos反相器的输入端提供输入电压，若第一开关闭合，第一直流电源将为cmos反相器的输入端提供输入电压，此时pmos的栅压和nmos的栅压均与输入电压相等。

第二开关和第三开关控制cmos反相器输出端的连接，闭合第二开关，则cmos反相器的输出端通过负载电阻连接地，此时nmos的漏极电压和pmos的漏极电压均等于cmos的输出电压，结合nmos和栅压和pmos的栅压，能够确定在闭合第二开关的情况下cmos反相器内部nmos和pmos各自的导通情况。同理，闭合第三开关时候，cmos反相器的输出端通过负载电阻接第二直流电压源，此时nmos的漏极电压和pmos的漏极电压均等于cmos的输出电压，结合nmos和栅压和pmos的栅压，能够确定在闭合第三开关的情况下cmos反相器内部nmos和pmos各自的导通情况。

参照图2，一种cmos反相器跨导系数的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，第二直流电源为待测cmos反相器电源端施加直流电压vdd。

cmos反相器是将输入信号的相位反转180度的电路，电路正常工作的条件是电源电压vdd需大于nmos阈值电压和pmos阈值电压绝对值之和。

本实施例中，第二直流电源为cmos反相器电源端施加正电压vdd＝3.3v。

步骤2，闭合第一开关和第三开关，同时，断开第二开关。

第一开关闭合，第三开关闭合，第二开关断开，即电流表另一端接第二直流电源正极。此时电路等效为负载电阻r与pmos并联后再与nmos串联。

步骤3，第一直流电源为待测cmos反相器输入端施加直流电压vin。

cmos反相器的输入端是nmos栅极和pmos栅极的连接段，为cmos反相器的输入端施加直流电压vin需保证nmos处于导通状态。

本实施例中，第一直流电源为cmos反相器施加正电压vin＝3.3v。

步骤4，电流表和电压表测量负载电阻的电流irn和负载电阻两端的电压vrn。

由于负载电阻r与pmos并联，则pmos的源漏电压vdsp，满足关系式：

vdsp＝vrn

本实施例中，电压表测得的负载电阻r两端的电压vrn＝2.983v。

本实施例中，nmos的阈值电压为vthn＝0.662v，pmos的阈值电压为vthp＝-0.858v。

由于对于pmos，vgsp＞vthp并且vdsp＜vgsp-vthp，此时pmos处于截至区，pmos的导通电阻rp趋于无穷大。

由于负载电阻r的阻值rr远远小于pmos的导通电阻rp，因此负载电阻r与pmos并联的等效电阻re1，满足关系式：

此时等效电阻re1上的等效电流ie1为：

其中，ve1是等效电阻re1上的电压，ve1与负载电阻r上的电压vrn相等。

由于电路等效为负载电阻r与pmos并联后再与nmos串联，相当于等效电阻re1与nmos串联，故nmos源漏电流idsn，满足条件：

idsn＝ie1＝irn

本实施例中，电流表测量流过负载电阻的电流irn＝14.9ma。

由于nmos与等效电阻re1串联，则nmos的源漏电压满足：

vdsn＝vdd-vrn

步骤5，通过电流irn和电压vrn，计算nmos的跨导系数kn。

因为nmos满足vgsn＞vthn并且vdsn＜vgsn-vthn，此时nmos处于线性区，故nmos满足线性区公式：

故nmos跨导系数计算公式为：

本示例中，计算出nmos的跨导系数kn＝0.0754。

步骤6，断开第一开关和第三开关，同时，闭合第二开关。

第一开关断开，此时nmos栅压vgsn＝0v和pmos的栅压vgsp＝-vdd。

第三开关断开，第二开关闭合，即电压表另一端接第一直流电源负极。此时电路等效为负载电阻r与nmos并联后再与pmos串联。

步骤7，电流表和电压表测量负载电阻的电流irp和负载电阻两端的电压vrp。

由于负载电阻r与nmos并联，nmos的源漏电压vdsn，满足关系式：

vdsn＝vrn

本实施例中，电压表测得的负载电阻r两端的电压vrn＝3.02v。

由于对于nmos，vgsp＜vthn并且vds＞vgs-vthn，此时nmos处于截至区，nmos的导通电阻rn趋于无穷大。

由于负载电阻r的阻值rr远远小于nmos的导通电阻rp，因此负载电阻r与nmos并联的等效电阻re2，满足关系式：

此时等效电阻re2上的等效电流ie2为：

其中，ve2是等效电阻re2上的电压，ve2与负载电阻r上的电压vrp相等。

由于电路等效为负载电阻r与nmos并联后再与pmos串联，相当于等效电阻re1与pmos串联，故pmos源漏电流idsp，满足条件：

idsp＝ie2＝irp

本实施例中，电流表测量流过负载电阻的电流irp＝15.1ma。

由于pmos与等效电阻re1串联，则pmos的源漏电压满足：

vdsp＝vrp-vdd

步骤8，通过电流irp和电压vrp，计算pmos的跨导系数kp。

因为pmos满足vgsn＞vthp并且vdsn＞vgsn-vthp，此时pmos处于线性区，故pmos满足线性区公式：

故pmos跨导系数计算公式为：

本示例中，计算出pmos的跨导系数kp＝0.0934。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。