本發(fā)明屬于集成電路
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種cmos反相器mos閾值電壓的測量方法，可用于數(shù)字電路設(shè)計和仿真中閾值電壓的提取和分析。
背景技術(shù)：
：反相器是將輸入信號的相位反轉(zhuǎn)180度的電路。常見反相器有兩種，分別是ttl非門和cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體)反相器。ttl非門的輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)均由半導(dǎo)體三極管和電阻構(gòu)成。cmos反相器由兩個增強型mos(metaloxidesemiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體)組成，分別為nmos(n-metal-oxide-semiconductor，n型金屬氧化物半導(dǎo)體)和pmos(p-metal-oxide-semiconductor，p型金屬氧化物半導(dǎo)體)。cmos反相器較ttl反相器功耗小、抗干擾性強、工作電壓范圍更廣，因此廣泛的用于數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計中。mos的閾值電壓是使源端半導(dǎo)體表面達到強反型的柵壓，是區(qū)分mos器件導(dǎo)通電壓和截止電壓的分界點。目前，閾值電壓的測量方法主要有兩大類：一類是基于mos電流和電壓關(guān)系式的測量方法，如恒定電流法、線性外推法、二階導(dǎo)數(shù)法等。另一類是基于mos器件的電學(xué)特性，設(shè)計特定的測量電路完成閾值電壓的測量。cmos反相器內(nèi)部，由于nmos和pmos的柵極和漏極對接，除非破壞cmos反相器的外部封裝，否則僅通cmos反相器的輸入端和輸出端無法測量nmos和pmos各自的電壓和電流，因此基于電流和電壓關(guān)系式的測量方法對cmos反相器mos閾值電壓的測量不適用。而基于mos器件電學(xué)特性的特定測量電路，通常是針對單個mos器件設(shè)計的測量電路。目前，基于mos器件電學(xué)特性的測量方法主要有以下幾種：1、通過待測器件的應(yīng)力態(tài)和測量態(tài)來計算待測器件的閾值電壓。測量單個待測mos在應(yīng)力態(tài)和測量態(tài)下與參照晶體管的輸出電壓差，計算得到單個待測mos的閾值電壓。例如，專利授權(quán)號為cn103576065b，名稱為“一種晶體管閾值電壓的測試電路”的中國專利，公開了一種閾值電壓測試方法，該方法通過在公開的測試電路中加入開關(guān)電路，測量開關(guān)電路控制待測器件在電路處于斷路時的應(yīng)力狀態(tài)和測試電路通路時的測量狀態(tài)，計算得到待測器件的閾值電壓。該方法的可操作性高，易于工程實現(xiàn)，但是如果要測量cmos反相器內(nèi)部nmos的閾值電壓和pmos的閾值電壓，需分別單獨測量nmos的閾值電壓和pmos的閾值電壓，測量效率低，并且依賴的電路設(shè)計復(fù)雜，測量時間較長。2、通過設(shè)計一種可以從外部改變電路工作條件的電路來測量mos的閾值電壓。測量單個待測mos對電容的充電時間，計算得到單個待測mos的漏電流，進而計算得到單個待測mos的閾值電壓。例如，專利授權(quán)號為cn103323763b，名稱為“一種測量閾值電壓和飽和漏電流退化電路”的中國專利，公開了一種閾值電壓的測量方法，通過測量鋸齒波的周期，帶入電容的計算公式，得到mos飽和漏電流的退化值，將該值帶入mos飽和區(qū)的電流電壓公式，得到了mos的閾值電壓。該方法測量準確度較高，但是如果要測量cmos反相器內(nèi)部nmos的閾值電壓和pmos的閾值電壓，則需分別單獨測量nmos的閾值電壓和pmos的閾值電壓，測量效率低。上述現(xiàn)有技術(shù)只能分別測量nmos和pmos的閾值電壓，對于已封裝的cmos反相器，分別測量nmos的閾值電壓和pmos的閾值電壓的方法，測量效率低，且不易于工程實現(xiàn)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種cmos反相器mos閾值電壓的測量方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)無法同時測量已封裝cmos反相器內(nèi)部nmos閾值電壓和pmos閾值電壓的技術(shù)問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：(1)直流電壓源為cmos反相器施加直流電壓vdd，同時信號發(fā)生器為cmos反相器施加脈沖信號；(2)雙通道示波器同時采集cmos反相器的輸入電壓vin和輸出電壓vout；(3)利用輸入電壓vin和輸出電壓vout，繪制cmos反相器一個周期的脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)和脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)：將輸入電壓vin一個周期的前半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，得到脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)；將輸入電壓vin一個周期的后半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，得到脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)；(4)計算脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)在不同輸入電壓x下的電壓放大倍數(shù)差值f(x)，得到差值曲線f(x)；(5)獲取nmos的閾值電壓vthn和pmos的閾值電壓vthp：當(dāng)x∈[0,vdd/2]時，差值曲線f(x)第一個非零點對應(yīng)的輸入電壓vin即為nmos的閾值電壓vthn；當(dāng)x∈(vdd/2,vdd]時，差值曲線f(x)第一個零點對應(yīng)的輸入電壓vin與電源電壓vdd之差即為pmos的閾值電壓vthp。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：1.本發(fā)明使用雙通道示波器直接采集待測cmos反相器兩端的電壓，通過對待測cmos反相器一個周期的脈沖前沿電壓傳輸曲線和脈沖后沿電壓傳輸曲線的分析和計算，實現(xiàn)pmos閾值電壓和nmos閾值電壓的同時提取，減少了工作量，與現(xiàn)有的閾值電壓測量技術(shù)相比，有效地提高了測量效率。2.本發(fā)明通過計算待測cmos反相器一個周期的脈沖前沿電壓傳輸曲線和脈沖后沿電壓傳輸曲線在不同輸入電壓下的電壓放大倍數(shù)差值，實現(xiàn)了pmos閾值電壓和nmos閾值電壓的同時提取，與現(xiàn)有技術(shù)中需要為mos器件設(shè)計特定測量裝置的方法相比，提高了通用性。3.本發(fā)明采用的測量方法步驟較少，易操作，縮短了測量時間，與現(xiàn)有閾值電壓測量技術(shù)相比，進一步提高了測量效率。4.本發(fā)明測量方法依賴的測量裝置簡單，引入的額外誤差較小，與現(xiàn)有閾值電壓測量技術(shù)相比，提高了測量的準確度。附圖說明圖1為本發(fā)明適用的測量電路圖；圖2為本發(fā)明的實現(xiàn)流程框圖；圖3為本發(fā)明實施例仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。本實施例中的cmos反相器以nc7szu04為例。參照圖1，一種cmos反相器mos閾值電壓的測量方法適用的電路，包括待測cmos反相器、信號發(fā)生器、c-r負載、雙通道示波器以及直流電源。其中，直流電源，用于提供直流電壓；信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號；雙通道示波器，用于同時采集待測cmos反相器的輸入信號和輸出信號；c-r負載用于產(chǎn)生輸出信號的時延。待測cmos反相器的輸入端連接信號發(fā)生器；待測cmos反相器的輸出端連接c-r負載；待測cmos反相器的輸入端連接雙通道示波器的第一端口，待測cmos反相器的輸出端連接雙通道示波器的第二端口；待測cmos反相器的電源端連接直流電源。參照圖2，一種nmos閾值電壓和pmos閾值電壓的測量方法，包括如下步驟：步驟1，直流電壓源為cmos反相器施加直流電壓vdd，同時信號發(fā)生器為cmos反相器施加脈沖信號。cmos反相器是將輸入信號的相位反轉(zhuǎn)180度的電路，電路正常工作的條件是電源電壓vdd大于nmos閾值電壓和pmos閾值電壓絕對值之和。本實施例中，直流電壓源為cmos反相器施加直流電壓vdd＝3.3v。信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號是一個周期性非理想方波。本實施例中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號，tr(risingtime上升時間)為20ns，tf(fallingtime下降時間)為20ns，pw(pulsewidth脈沖寬度)為40ns，per(period周期)為160ns，脈沖信號由低電平開始，進行周期性重復(fù)。步驟2，雙通道示波器同時采集cmos反相器的輸入電壓vin和輸出電壓vout。雙通道示波器同時采集輸入電壓vin和輸出電壓vout，并將采集的信號離散化。本實施例中，設(shè)置離散化隔間為0.1ns，得到下表1所示的部分輸入電壓和輸出電壓序列：表1輸入電壓vin輸出電壓vout3.300e+0003.234e+009.267e-03……1.320e+001.132e+001.254e+001.464e+00……3.234e+002.267e-033.300e+008.925e-03步驟3，利用輸入電壓vin和輸出電壓vout，繪制cmos反相器一個周期的脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)和脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)：將輸入電壓vin一個周期的前半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，得到脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)；將輸入電壓vin一個周期的后半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，得到脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)。脈沖前沿電壓傳輸曲線和脈沖后沿電壓傳輸曲線是以輸入電壓vin作為橫軸，以輸出電壓vout作為縱軸，表征反相器動態(tài)電壓傳輸特性的曲線。由于輸入的脈沖電壓是周期性的，故只繪制一個周期的靜態(tài)電壓傳輸曲線。由于輸入電壓vin與脈沖信號的值相等，而輸出信號會受到cmos反相器寄生電容的影響，故需將一個周期的輸出電壓vin分為兩個部分：輸入電壓vin的前半周期和輸入電壓vin的后半周期。輸入電壓vin的前半周期是指脈沖信號由低電平增加到高電平的過程，前半周期的不同電壓x對應(yīng)不同的輸出電壓vout，表征著脈沖信號由低到高的過程中，cmos反相器由于受到寄生電容的影響導(dǎo)致輸出電壓變化的過程。將輸入電壓vin一個周期的前半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，將前半周期所有的輸入電壓輸出電壓對繪制到以輸入電壓vin作為橫軸，以輸出電壓vout作為縱軸的坐標系中，得到脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)。輸入電壓vin的后半周期是指脈沖信號由高電平減至低電平的過程，后半周期的不同電壓x對應(yīng)不同的輸出電壓vout，表征著脈沖信號由高到低的過程中，cmos反相器由于受到寄生電容的影響導(dǎo)致輸出電壓變化的過程。將輸入電壓vin一個周期的后半周期不同電壓x作為橫坐標，不同電壓x對應(yīng)的輸出電壓vout作為縱坐標，將后半周期所有的輸入電壓輸出電壓對繪制到以輸入電壓vin作為橫軸，以輸出電壓vout作為縱軸的坐標系中，得到脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)。信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號的頻率是造成脈沖前沿電壓傳輸曲線和脈沖后沿電壓傳輸曲線與靜態(tài)電壓傳輸曲線不同的主要原因。靜態(tài)電壓傳輸過程中，由于脈沖信號頻率較低，cmos反相器內(nèi)部寄生電容的效應(yīng)可被忽略，整個傳輸過程呈現(xiàn)一種靜態(tài)效果。動態(tài)電壓傳輸過程中，由于脈沖信號的頻率較高，cmos反相器內(nèi)部寄生電容的效應(yīng)無法忽略，電容充放電的時延導(dǎo)致了在脈沖信號上升和下降過程中對應(yīng)的輸出電壓值不相等。假設(shè)把與輸出節(jié)點相連的所有電容等效為一個寄生電容cl，則該寄生電容滿足的公式為：其中，cl為寄生電容大小，是輸出電壓的變化速率，ic是流過寄生電容的電流，idn是nmos上的漏電流，idp是pmos上的漏電流。本實施例中，計算出寄生電容的大小cl＝12pf。步驟4，計算脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)在不同輸入電壓x下的電壓放大倍數(shù)差值f(x)，得到差值曲線f(x)。計算脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)在不同輸入電壓x下的電壓放大倍數(shù)差值f(x)，其計算公式為：其中，da(x)是脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)的導(dǎo)數(shù)，db(x)是脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)的導(dǎo)數(shù)，δvout1是脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)輸出電壓vout1的變量，δvin是輸入電壓vin的變量，δvout2是脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)輸出電壓vout2的變量。脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)是輸入電壓vin由低電平到高電平對應(yīng)的輸出電壓曲線，脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)是輸入電壓vin從高電平到低電平對應(yīng)的輸出電壓曲線。因為輸入電壓vin與信號發(fā)生器為cmos反相器施加的脈沖信號的值相等，雙通道示波器將采集的輸入電壓vin離散化間隔相等，故脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)的輸入電壓vin的變量δvin和脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)輸入電壓vin的變量δvin是相等的。因為寄生電容cl對輸出電壓vout的影響滿足公式：并且，雙通道示波器將采集的輸出電壓vout離散化間隔相等，故有：dt＝δt＝0.1ns所以輸出電壓變量dvout與負載電容cl和電容電流ic滿足的關(guān)系式為：將在不同輸入電壓x下的輸出電壓變量dvout代入電壓放大倍數(shù)差值f(x)計算公式中，能夠計算出在不同輸入電壓x下的電壓放大倍數(shù)差值f(x)。步驟5，獲取nmos的閾值電壓vthn和pmos的閾值電壓vthp：當(dāng)x∈[0,vdd/2]時，差值曲線f(x)第一個非零點對應(yīng)的輸入電壓vin即為nmos的閾值電壓vthn。當(dāng)x∈(vdd/2,vdd]時，差值曲線f(x)第一個零點對應(yīng)的輸入電壓vin與電源電壓vdd之差即為pmos的閾值電壓vthp。當(dāng)x∈[0,vdd/2]時，其中，當(dāng)x∈[0,vthn)時，pmos處于線性導(dǎo)通，nmos處于截止狀態(tài)，cmos反相器內(nèi)部電流ic：ic＝idp＝idn＝0a此時寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓的影響，滿足公式：即，當(dāng)x∈[0,vthn)時，寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓vout無影響。故x∈[0,vthn)時，脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)的輸出電壓變量δvout1和脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)輸出電壓變量δvout2相等，故此區(qū)間內(nèi)脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)的電壓放大倍數(shù)差值f(x)，滿足：當(dāng)x∈[vthn,vdd/2]時，對于脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)，輸出電壓vin前半周期的輸入電壓vin是從低電平到高電壓的，對應(yīng)著pmos從線性導(dǎo)通狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，nmos從截止狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，此時寄生電容開始向nmos進行放電，滿足公式：其中，idn是nmos的漏電流。當(dāng)x∈[vthn,vdd/2]時，對于脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)，輸出電壓vin后半周期的輸入電壓vin是從高電平到低電壓的，對應(yīng)著pmos從飽和狀態(tài)進入截止狀態(tài)，nmos從飽和狀態(tài)進入線性狀態(tài)，此時pmos開始向寄生電容進行充電，滿足公式：其中，idp是pmos的漏電流。因為寄生電容cl的充電荷放電過程中，電容的電流ic滿足公式：ic＝2πfcv其中，f是電源頻率，c是電容電量，v是電容兩端的電壓。因為寄生電容cl上的電流ic滿足關(guān)系式：ic＝idn-idp故x∈[vthn,vdd/2]時，nmos的漏電流idn和pmos的漏電流idp不相等：idn≠idp即有：帶入脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)的電壓放大倍數(shù)差值f(x)的計算公式可得：因此，當(dāng)x∈[0,vdd/2]時，差值曲線f(x)第一個非零點對應(yīng)的輸入電壓vin即為nmos的閾值電壓vthn。本實施例中，nmos的閾值電壓vthn＝0.650v。當(dāng)x∈(vdd/2,vdd]時，其中，當(dāng)x∈(vdd/2,vdd+vthp]時，pmos處于飽和狀態(tài)，nmos也處于飽和狀態(tài)，cmos反相器內(nèi)部電流ic滿足：ic＝|idp|＝idn且idp＝-idn此時寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓的影響，滿足公式：即，當(dāng)x∈(vdd/2,vdd+vthp)時，寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓vout的影響與nmos的漏電流idn成正比例關(guān)系。對于脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)，輸出電壓vin后半周期的輸入電壓vin是從高電平到低電壓的，對應(yīng)著pmos從飽和導(dǎo)通狀態(tài)進入截止狀態(tài)，nmos從飽和狀態(tài)進入線性導(dǎo)通狀態(tài)，此時pmos對寄生電容進行放電，滿足公式：其中，idp是nmos的漏電流。對于脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)，輸出電壓vin后半周期的輸入電壓vin是從低電平到高電壓的，對應(yīng)著pmos從截止狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，nmos從線性導(dǎo)通狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，此時寄生電容開始向nmos進行放電，滿足公式：其中，idn是pmos的漏電流。因為idp＝-idn，nmos的漏電流idn和pmos的漏電流idp不相等：idn≠idp即有：帶入脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)的電壓放大倍數(shù)差值f(x)的計算公式可得：當(dāng)x∈[vdd+vthp,vdd]時，nmos處于線性導(dǎo)通，pmos處于截止狀態(tài)，cmos反相器內(nèi)部電流ic：ic＝idp＝idn＝0a此時寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓的影響，滿足公式：即，當(dāng)x∈[vdd+vthp,vdd]時，寄生電容cl對cmos反相器輸出電壓vout無影響，故脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)的輸出電壓變量δvout1和脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)輸出電壓變量δvout2相等，故此區(qū)間內(nèi)脈沖前沿電壓傳輸曲線a(x)與脈沖后沿電壓傳輸曲線b(x)的電壓放大倍數(shù)差值f(x)，滿足：因此，當(dāng)x∈(vdd/2,vdd]時，差值曲線f(x)第一個零點對應(yīng)的輸入電壓vin與電源電壓vdd之差即為pmos的閾值電壓vthp。本實施例中，pmos的閾值電壓vthp＝-0.850v。參照圖3，將本發(fā)明實施例測算出的nmos閾值電壓和pmos閾值電壓帶入仿真軟件，得到一組仿真曲線，將所得的仿真曲線與本發(fā)明實施例的實驗曲線繪于同一坐標系下，得到本發(fā)明實施例仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比圖。圖中a(x)為脈沖前沿電壓傳輸曲線的實驗結(jié)果，a′(x)為脈沖前沿電壓傳輸曲線的仿真結(jié)果，b(x)為脈沖后沿電壓傳輸曲線的實驗結(jié)果，b′(x)為脈沖后沿電壓傳輸曲線的仿真結(jié)果。由本發(fā)明實施例仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比圖可知，本實施例測量出的nmos閾值電壓和pmos閾值電壓誤差較小，準確度較高。以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本
發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12