CMOS反相器

   MOSFET有P沟道和N沟道两种,每种中又可分为耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

    图1(a)表示CMOS反相器电路,由两种增强型MOSFET组成,其中一个为N沟道,另一个为P沟道。图1(b)为其简化画法。为了电路能正常工作,要求电压
V
DD>(VTN+|VTP|)
    1. 工作原理
    首先考虑两种极限情况:当v1输入逻辑0时,相应的电压近似为0V;而当v1输入逻辑1时,相应的电压近似为VDD。假设N沟道管TN为工作管,P沟道管Tp为负载管。由于电路是互补对称的,这种假设可以是任意的,其结果相同 。
    图2分析了当v1=VDD时的工作情况。参看图2(b)。在TN的输出特性iD-vDS曲线簇中选择VGSN=VDD,并叠加一条负载线,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VDSN=0V,由于电路的输出VO=VDSN,故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(微瓦数量级)。

(a)电路
(b)简化电路 
图1 CMOS反相器
(a)电路
(b)图解
图2 CMOS反相器在输入为高电平时的图解分析

    图3分析了另一种极限情况,此时对应于vI=0V,其工作状态示于图3(b)中。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vGSP=VDD时的输出特性iD-vDS。由图可知,工作点决定了VOH≈VDD;通过两器件的电流接近于零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

(a)电路 (b)图解
图3 CMOS反相器在输入为低电平时的图解分析

    由此可知,基本CMOS反相器近似于理想的逻辑单元,其输出电压接近于零或+VDD,而功耗几乎为零。
    2. 传输特性
    COMS反相器的传输特性可仿照前述图解步骤来求得,改变v1的值,可得出相应的v0值。图4表示CMOS反相器的典型传输特性。图中VDD=10VVTN=|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,两器件之一可当做高阻值的负载。因此,在过渡区域,传输特性变化比较急剧。两管在IDD/2处转换状态。


    图4 CMOS反相器的传输特性

    3. 工作速度
    CMOS反相器在负载情况下,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。图5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。电容CL的放电过程类似。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns

(a)电路 (b)负载电容充电
图5 CMOS反相器在电容负载下的工作情况

,   MOSFET有P沟道和N沟道两种,每种中又可分为耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

    图1(a)表示CMOS反相器电路,由两种增强型MOSFET组成,其中一个为N沟道,另一个为P沟道。图1(b)为其简化画法。为了电路能正常工作,要求电压
V
DD>(VTN+|VTP|)
    1. 工作原理
    首先考虑两种极限情况:当v1输入逻辑0时,相应的电压近似为0V;而当v1输入逻辑1时,相应的电压近似为VDD。假设N沟道管TN为工作管,P沟道管Tp为负载管。由于电路是互补对称的,这种假设可以是任意的,其结果相同 。
    图2分析了当v1=VDD时的工作情况。参看图2(b)。在TN的输出特性iD-vDS曲线簇中选择VGSN=VDD,并叠加一条负载线,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VDSN=0V,由于电路的输出VO=VDSN,故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(微瓦数量级)。

(a)电路
(b)简化电路 
图1 CMOS反相器
(a)电路
(b)图解
图2 CMOS反相器在输入为高电平时的图解分析

    图3分析了另一种极限情况,此时对应于vI=0V,其工作状态示于图3(b)中。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vGSP=VDD时的输出特性iD-vDS。由图可知,工作点决定了VOH≈VDD;通过两器件的电流接近于零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

(a)电路 (b)图解
图3 CMOS反相器在输入为低电平时的图解分析

    由此可知,基本CMOS反相器近似于理想的逻辑单元,其输出电压接近于零或+VDD,而功耗几乎为零。
    2. 传输特性
    COMS反相器的传输特性可仿照前述图解步骤来求得,改变v1的值,可得出相应的v0值。图4表示CMOS反相器的典型传输特性。图中VDD=10VVTN=|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,两器件之一可当做高阻值的负载。因此,在过渡区域,传输特性变化比较急剧。两管在IDD/2处转换状态。


    图4 CMOS反相器的传输特性

    3. 工作速度
    CMOS反相器在负载情况下,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。图5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。电容CL的放电过程类似。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns

(a)电路 (b)负载电容充电
图5 CMOS反相器在电容负载下的工作情况

CMOS反相器

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