一种抗参数漂移反相器的制作方法

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。

技术实现要素：

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。