CMOS反相器工作原理及傳輸特性

CMOS反相器

MOSFET有P溝道和N溝道兩種，每種中又有耗盡型和增強(qiáng)型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補(bǔ)MOS或CMOS電路。
　　下圖表示CMOS反相器電路，由兩只增強(qiáng)型MOSFET組成，其中一個(gè)為N溝道結(jié)構(gòu)，另一個(gè)為P溝道結(jié)構(gòu)。為了電路能正常工作，要求電源電壓V_DD大于兩個(gè)管子的開啟電壓的絕對值之和，即
V_DD＞(V_TN＋|V_TP|) 。

CMOS反相器工作原理

　　首先考慮兩種極限情況：當(dāng)v_I處于邏輯0時(shí) ，相應(yīng)的電壓近似為0V；而當(dāng)v_I處于邏輯1時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為V_DD。假設(shè)在兩種情況下N溝道管 T_N為工作管P溝道管T_P為負(fù)載管。但是，由于電路是互補(bǔ)對稱的，這種假設(shè)可以是任意的，相反的情況亦將導(dǎo)致相同的結(jié)果。
　　下圖分析了當(dāng)v_I=V_DD時(shí)的工作情況。在TN的輸出特性i_D—v_DS（v_GSN＝V_DD）(注意v_DSN=v_O)上 ，疊加一條負(fù)載線，它是負(fù)載管T_P在 v_SGP=0V時(shí)的輸出特性i_D－v_SD。由于v_SGP＜V_T（V_TN=|V_TP|=V_T），負(fù)載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點(diǎn)即工作點(diǎn)。顯然，這時(shí)的輸出電壓v_OL≈0V（典型值＜10mV ，而通過兩管的電流接近于零。這就是說，電路的功耗很小（微瓦量級）

　　下圖分析了另一種極限情況，此時(shí)對應(yīng)于v_I＝0V。此時(shí)工作管T_N在v_GSN＝0的情況下運(yùn)用，其輸出特性i_D－v_DS幾乎與橫軸重合 ，負(fù)載曲線是負(fù)載管T_P在v_sGP＝V_DD時(shí)的輸出特性i_D－v_DS。由圖可知，工作點(diǎn)決定了V_O＝V_OH≈V_DD；通過兩器件的電流接近零值 ?？梢娚鲜鰞煞N極限情況下的功耗都很低。

　　由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的邏輯單元，其輸出電壓接近于零或+V_DD，而功耗幾乎為零。

CMOS反相器傳輸特性

　　下圖為CMOS反相器的傳輸特性圖。圖中V_DD=10V，V_TN=|V_TP|=V_T=
2V。由于 V_DD＞（V_TN＋|V_TP|），因此，當(dāng)V_DD-|V_TP|>vI>V_TN 時(shí),T_N和T_P兩管同時(shí)導(dǎo)通?？紤]到電路是互補(bǔ)對稱的，一器件可將另一器件視為它的漏極負(fù)載。還應(yīng)注意到，器件在放大區(qū)（飽和區(qū)）呈現(xiàn)恒流特性，兩器件之一可當(dāng)作高阻值的負(fù)載。因此，在過渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在V_I=V_DD/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

CMOS反相器工作速度

　　CMOS反相器在電容負(fù)載情況下，它的開通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間是相等的，這是因?yàn)殡娐肪哂谢パa(bǔ)對稱的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)v_I=0V時(shí) ，T_N截止，T_P導(dǎo)通，由V_DD通過T_P向負(fù)載電容C_L充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的g_m值均設(shè)計(jì)得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時(shí)間常數(shù)較小。類似地，亦可分析電容C_L的放電過程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時(shí)間約為10ns。