cmos反相器設(shè)計(jì)電路圖

　　CMOS反相器簡(jiǎn)介

　　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VDD大于兩個(gè)管子的開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值之和，即

　　CMOS反相器工作原理

　　首先考慮兩種極限情況：當(dāng)vI處于邏輯0時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為0V；而當(dāng)vI處于邏輯1時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為VDD。假設(shè)在兩種情況下N溝道管TN為工作管P溝道管TP為負(fù)載管。但是，由于電路是互補(bǔ)對(duì)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)vI=VDD時(shí)的工作情況。在TN的輸出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）（注意vDSN=vO）上，疊加一條負(fù)載線，它是負(fù)載管TP在vSGP=0V時(shí)的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），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vOL≈0V（典型值＜10mV，而通過(guò)兩管的電流接近于零。這就是說(shuō)，電路的功耗很小（微瓦量級(jí)）

　　下圖分析了另一種極限情況，此時(shí)對(duì)應(yīng)于vI＝0V。此時(shí)工作管TN在vGSN＝0的情況下運(yùn)用，其輸出特性iD－vDS幾乎與橫軸重合，負(fù)載曲線是負(fù)載管TP在vsGP＝VDD時(shí)的輸出特性iD－vDS。由圖可知，工作點(diǎn)決定了VO＝VOH≈VDD；通過(guò)兩器件的電流接近零值?？梢?jiàn)上述兩種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+VDD，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VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=

　　2V。由于VDD＞（VTN＋|VTP|），因此，當(dāng)VDD-|VTP|》vI》VTN時(shí)，TN和TP兩管同時(shí)導(dǎo)通。考慮到電路是互補(bǔ)對(duì)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(guò)渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/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(kāi)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(duì)稱的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)vI=0V時(shí)，TN截止，TP導(dǎo)通，由VDD通過(guò)TP向負(fù)載電容CL充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的gm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CL的放電過(guò)程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時(shí)間約為10ns。