cmos反相器设计电路图 - 全文

　　CMOS反相器简介

　　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VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即

　　CMOS反相器工作原理

　　首先考虑两种极限情况：当vI处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管TN为工作管P沟道管TP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vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）（注意vDSN=vO）上，叠加一条负载线，它是负载管TP在vSGP=0V时的输出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），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vOL≈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vI＝0V。此时工作管TN在vGSN＝0的情况下运用，其输出特性iD－vDS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管TP在vsGP＝VDD时的输出特性iD－vDS。由图可知，工作点决定了VO＝VOH≈VDD；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+VDD，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VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=

　　2V。由于VDD＞（VTN＋|VTP|），因此，当VDD-|VTP|》vI》VTN时，TN和TP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VI=VDD/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vI=0V时，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的gm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CL的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

　　CMOS反相器的电路图设计

　　首先利用LTspice进行电路图设计的仿真，步骤如下：

　　1、添加pmos（nmos管同理）：

　　注意：其中，mos管的初始方向都是同向的，所以PMOS要旋转＋倒置，其中CTRL+R的功能是旋转，而ctrl+E的功能是镜像的作用。如图所示：

　　2、设置两mos管的参数：

　　将鼠标移至PMOS或者NMOS管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会出现MOS管的设置窗口，本文将参数均设置为0.12u。

　　3、在电路输入界面中的EDIT下拉菜单中找到DrawWire或点击工具栏图标，可以实现原件互连。而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择LabelNet，设置应的标签或者点击工具栏图标可放置地线，点击工具栏图标可以添加并设置输入/输出口。布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：

　　4、封装：

　　5、接入信号源

　　电路做好后，在电路输入端加激励信号源，才能观察到电路的反应如何。接入信号源的步骤如下：第一步，在元器件库中找到独立电压源Voltage；第二步，双击Voltage，让它进入画图界面；第三步，拖动Voltage图标，移到电路输入端；第四步，右击Voltage图标，对它进行设置。在弹出的的窗口中选择PULSE，它的PULSE参数分别为（05v0.5ms1n1n1s2s10），这些参数表示为（低电平脉冲大小延时上升沿时间下降沿时间脉冲宽度脉冲周期仿真周期个数），如图：

　　6、仿真设置

　　在运行仿真命令之前，首先必须设置仿真类型。在电路原理图输入窗口中，找到Simulate选项，单击它，选中EditSimulationCmd。对CMOS反相器运行Transient仿真，进行功能和时序分析。在EditSimulationCmd选中Transient，然后在出现的对话框中进行设置，Transient仿真设置后得到的结果如图所示。

　　CMOS反相管的结果分析