cmos反相器工作原理及傳輸特性、工作速度詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-08-29
反相器是可以將輸入信號的相位反轉180度，這種電路應用在模擬電路，比如說音頻放大，時鐘振蕩器等。在電子線路設計中，經常要用到反相器。CMOS反相器電路由兩個增強型MOS場效應管組成。典型TTL與非門電路電路由輸入級、中間級、輸出級組成。
MOSFET有P溝道和N溝道兩種，每種中又有耗盡型和增強型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補MOS或CMOS電路。下圖表示CMOS反相器電路，由兩只增強型MOSFET組成，其中一個為N溝道結構，另一個為P溝道結構。為了電路能正常工作，要求電源電壓VDD大于兩個管子的開啟電壓的絕對值之和，即VDD＞(VTN＋|VTP|) 。
首先考慮兩種極限情況：當vI處于邏輯0時 ，相應的電壓近似為0V；而當vI處于邏輯1時，相應的電壓近似為VDD。假設在兩種情況下N溝道管 TN為工作管P溝道管TP為負載管。但是，由于電路是互補對稱的，這種假設可以是任意的，相反的情況亦將導致相同的結果。下圖分析了當vI=VDD時的工作情況。在TN的輸出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）(注意vDSN=vO)上 ，疊加一條負載線，它是負載管TP在 vSGP=0V時的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），負載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點即工作點。顯然，這時的輸出電壓vOL≈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，此時對應于vI＝0V。此時工作管TN在vGSN＝0的情況下運用，其輸出特性iD－vDS幾乎與橫軸重合 ，負載曲線是負載管TP在vsGP＝VDD時的輸出特性iD－vDS。由圖可知，工作點決定了VO＝VOH≈VDD；通過兩器件的電流接近零值 。可見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。
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VDD-|VTP|>vI>VTN 時,TN和TP兩管同時導通。考慮到電路是互補對稱的，一器件可將另一器件視為它的漏極負載。還應注意到，器件在放大區（飽和區）呈現恒流特性，兩器件之一可當作高阻值的負載。因此，在過渡區域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/2處轉換狀態。
CMOS反相器在電容負載情況下，它的開通時間與關閉時間是相等的，這是因為電路具有互補對稱的性質。下圖表示當vI=0V時 ，TN截止，TP導通，由VDD通過TP向負載電容CL充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的gm值均設計得較大，其導通電阻較小，充電回路的時間常數較小。類似地，亦可分析電容CL的放電過程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時間約為10ns。
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