CMOS逆变器的特性/功耗/横截面/电路图

CMOS逆变器

CMOS逆变器非常简单，它将功耗降至最低水平。它由一对增强型NMOS和PMOS组成，作为交换机运行，串联连接，如图所示。请注意，每个晶体管用作另一个晶体管的负载电阻。

CMOS逆变电路

栅极端子的接头是输入端，漏极的接头是输出端。PMOS （Q1） 衬底和源与 +V 绑定，而在 NMOS （Q2） 中，它们接地。

在晶体管Q2中对输入施加+V（逻辑1）Vgs = +V时，它被打开，其源极和漏极之间的电阻变得非常小。相比之下，晶体管Q1中的Vgs = 0 V，使其保持“关断”，漏极和源极之间具有高电阻。通过采用分压器规则计算输出电压，结果接近0 V（逻辑0） 。

输入端具有逻辑1的CMOS逆变器

因此，在输入端施加+V会导致输出端产生约0 V电压，从而建立所需的反转过程。

将输入接地，晶体管Q2中的Vgs = 0 V，保持“关闭”，晶体管Q1中的Vgs = -V，并且“导通”。现在，Q1在源极和漏极之间具有低电阻，Q2具有高电阻。因此，输出电压接近+V（逻辑1）。

输入端逻辑为0的CMOS逆变器

NMOS是一个下拉晶体管，因为它将输出下拉到地（零电压），而PMOS是一个上拉晶体管，因为它将输出上拉至+V。

CMOS的横截面

CMOS在基板上制造，用作电气参考并提供机械支撑。横截面将晶圆切开到晶体管的中间，并在其侧面观察。

图是CMOS栅极的粗略横截面，其中NMOS和PMOS晶体管在同一芯片上实现。对于p沟道和n沟道器件，右侧感应p沟道，左侧感应n沟道。

CMOS栅极横截面

在这种布置中，PMOS晶体管直接在n型衬底（体）中进行，NMOS晶体管在通常称为p阱的p型区域中进行。孔是一种重要的低掺杂水平的深扩散，可作为一个装置的基质，并在两种装置类型之间提供隔离。

采用p型底物作为主体并在n孔中形成p型器件也是可行的。未指定与n型体和p型孔的连接。

CMOS逆变器的功耗

CMOS电路的直流输入电流可以忽略不计。两种状态下的功耗都很低，因为“关断”晶体管将漏极电流限制在漏电流。功耗仅在输入切换期间才明显。

虽然CMOS的平均功率要求较低，但其幅度取决于电路的活动。例如，在静态电路中（不发生逻辑变化），CMOS消耗的功耗最小。与TTL相比，此功能使CMOS通常具有高能效。但是当以高频改变状态时，消耗的功率可能会几乎增加到TTL的水平。

CMOS逆变器的直流电压传输特性

直流电压传输特性（VTC）有助于量化逆变器的运行。但是，它只是一个输出电压 （Vo） 与输入电压 （Vi） 的关系图。

采用CMOS技术的逆变器具有非常接近理想的VTC。例如，图显示了Q1和Q2匹配的CMOS逆变器的VTC。

CMOS逆变器的VTC

在Q1和Q2匹配的情况下，逆变器具有对称传输特性，并在上拉和下拉方向上具有相等的电流驱动能力。CMOS逆变器的一个重要特性是高输出电压摆幅。

如图9所示，VTC根据Q1和Q2的操作模式分为五个部分：

第 1 部分：Q2 关闭

第2段：Q2处于饱和状态，Q1处于欧姆区域

第 3 部分：Q1 和 Q2 饱和

第 4 段：Q1 处于饱和状态，Q2 处于欧姆区域

第 5 部分：Q1 关闭

该图允许我们将逻辑 0 和逻辑 1 电压定义扩大到每个逻辑电平的电压范围。此外，用于定义逻辑 0 和逻辑 1 值的限制对于输出和输入是不同的。有效值是输入电压 Vih 和 Vil、输出电压 Voh 和 Vol 以及阈值电压 VT.

Vih和Vil是VTC点，其斜率（dVo/dVi）为−1 V/V。当Vi》Vil时，逆变器增益增加，VTC进入其过渡区。同样，当Vi《Vih时，逆变器进入过渡区域，增加增益。

VTC的另一个基本要素是单位增益线。这条线的斜率 = 1，并将曲线切割到 Vo = Vi 的点。在VTC的中点，逆变器切换状态。因此，使用上述VTC，输出在地+V（+V/2时）之间精确地改变状态。

当晶体管Q1和Q2不匹配时，VTC将不对称。