CMOS反相器工作原理

• N特性曲线和电流方程

  N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时i_D几乎不随v_DS而变化,即不同的v_DS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用v_DS大于某一数值(v_DS＞v_GS-V_T)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,i_D与v_GS的近似关系式为

  　

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•                                                           ( v_GS＞V_T)   

  式中I_DO是v_GS=2V_T时的漏极电流i_D。

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• 2. 参数

  MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压V_P，而用开启电压V_T表征管子的特性。

  　　

• 两个MOS管的开启电压V_GS(th)P<0， V_GS(th)N >0，通常为了保证正常工作，要求V_DD>|V_GS(th)P|+V _GS(th)N。若输入v_I为低电平(如0V)，则P负载管导通（因为这时P管的Vgs等于-V_DD），N输入管截止，输出电压接近V_DD。若输入v_I为高电平(如V_DD)，则N输入管导通，P负载管截止，输出电压接近0V。

  　　综上所述，当v_I为低电平时v_o为高电平；v_I为高电平时v_o为低电平，电路实现了非逻辑运算，是非门——反相器。

CMOS反相器特点

• 　　(1)  静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。

  　　(2)  抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。

  　　(3) 电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3～+18V。

  　　(4)  输入阻抗高，带负载能力强。

CMOS反相器工作原理

　　首先考虑两种极限情况：当v_I处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当v_I处于逻辑1时，相应的电压近似为V_DD。假设在两种情况下N沟道管 T_N为工作管P沟道管T_P为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
　　下图分析了当v_I=V_DD时的工作情况。在TN的输出特性i_D—v_DS（v_GSN＝V_DD）(注意v_DSN=v_O)上，叠加一条负载线，它是负载管T_P在 v_SGP=0V时的输出特性i_D－v_SD。由于v_SGP＜V_T（V_TN=|V_TP|=V_T），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压v_OL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）

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　　下图分析了另一种极限情况，此时对应于v_I＝0V。此时工作管T_N在v_GSN＝0的情况下运用，其输出特性i_D－v_DS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管T_P在v_sGP＝V_DD时的输出特性i_D－v_DS。由图可知，工作点决定了V_O＝V_OH≈V_DD；通过两器件的电流接近零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

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　　由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V_DD，而功耗几乎为零。

CMOS反相器传输特性

　　下图为CMOS反相器的传输特性图。图中V_DD=10V，V_TN=|V_TP|=V_T=
2V。由于 V_DD＞（V_TN＋|V_TP|），因此，当V_DD-|V_TP|>vI>V_TN 时,T_N和T_P两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在V_I=V_DD/2处转换状态。

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CMOS反相器工作速度

　　CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当v_I=0V时，T_N截止，T_P导通，由V_DD通过T_P向负载电容C_L充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的g_m值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。类似地，亦可分析电容C_L的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

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