cmos反相器工作原理
cmos反相器介紹

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(shuō)音頻放大，時(shí)鐘振蕩器等。在電子線(xiàn)路設計中，經(jīng)常要用到反相器。CMOS反相器電路由兩個(gè)增強型MOS場(chǎng)效應管組成。典型TTL與非門(mén)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(lèi)。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱(chēng)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(gè)為N溝道結構，另一個(gè)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(gè)管子的開(kāi)啟電壓的絕對值之和，即VDD＞(VTN＋|VTP|) 。

CMOS反相器工作原理

首先考慮兩種極限情況：當vI處于邏輯0時(shí) ，相應的電壓近似為0V；而當vI處于邏輯1時(shí)，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(chēng)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(shí)的工作情況。在TN的輸出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）(注意vDSN=vO)上 ，疊加一條負載線(xiàn)，它是負載管TP在 vSGP=0V時(shí)的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），負載曲線(xiàn)幾乎是一條與橫軸重合的水平線(xiàn)。兩條曲線(xiàn)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?。ㄎ⑼吡考墸?/span>

下圖分析了另一種極限情況，此時(shí)對應于vI＝0V。此時(shí)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(xiàn)是負載管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VDD-|VTP|>vI>VTN 時(shí),TN和TP兩管同時(shí)導通?？紤]到電路是互補對稱(chēng)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(guò)渡區域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/2處轉換狀態(tài)。

CMOS反相器工作速度

CMOS反相器在電容負載情況下，它的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間是相等的，這是因為電路具有互補對稱(chēng)的性質(zhì)。下圖表示當vI=0V時(shí) ，TN截止，TP導通，由VDD通過(guò)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(shí)間常數較小。類(lèi)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。

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