CMOS反相器工作原理及传输特性

CMOS反相器

MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。
　　下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压V_DD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即
V_DD＞(V_TN＋|V_TP|) 。

CMOS反相器工作原理

　　首先考虑两种极限情况：当v_I处于逻辑0时 ，相应的电压近似为0V；而当v_I处于逻辑1时，相应的电压近似为V_DD。假设在两种情况下N沟道管 T_N为工作管P沟道管T_P为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
　　下图分析了当v_I=V_DD时的工作情况。在TN的输出特性i_D—v_DS（v_GSN＝V_DD）(注意v_DSN=v_O)上 ，叠加一条负载线，它是负载管T_P在 v_SGP=0V时的输出特性i_D－v_SD。由于v_SGP＜V_T（V_TN=|V_TP|=V_T），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压v_OL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）

　　下图分析了另一种极限情况，此时对应于v_I＝0V。此时工作管T_N在v_GSN＝0的情况下运用，其输出特性i_D－v_DS几乎与横轴重合 ，负载曲线是负载管T_P在v_sGP＝V_DD时的输出特性i_D－v_DS。由图可知，工作点决定了V_O＝V_OH≈V_DD；通过两器件的电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

　　由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V_DD，而功耗几乎为零。

CMOS反相器传输特性

　　下图为CMOS反相器的传输特性图。图中V_DD=10V，V_TN=|V_TP|=V_T=
2V。由于 V_DD＞（V_TN＋|V_TP|），因此，当V_DD-|V_TP|>vI>V_TN 时,T_N和T_P两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在V_I=V_DD/2处转换状态。

CMOS反相器工作速度

　　CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当v_I=0V时 ，T_N截止，T_P导通，由V_DD通过T_P向负载电容C_L充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的g_m值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。类似地，亦可分析电容C_L的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。