cmos反相器工作原理及傳輸特性、工作速度詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-08-29
反相器是可以將輸入信號(hào)的相位反轉(zhuǎn)180度，這種電路應(yīng)用在模擬電路，比如說(shuō)音頻放大，時(shí)鐘振蕩器等。在電子線路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到反相器。CMOS反相器電路由兩個(gè)增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成。典型TTL與非門電路電路由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)組成。
MOSFET有P溝道和N溝道兩種，每種中又有耗盡型和增強(qiáng)型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補(bǔ)MOS或CMOS電路。下圖表示CMOS反相器電路，由兩只增強(qiáng)型MOSFET組成，其中一個(gè)為N溝道結(jié)構(gòu)，另一個(gè)為P溝道結(jié)構(gòu)。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(duì)值之和，即VDD＞(VTN＋|VTP|) 。
首先考慮兩種極限情況：當(dāng)vI處于邏輯0時(shí) ，相應(yīng)的電壓近似為0V；而當(dāng)vI處于邏輯1時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為VDD。假設(shè)在兩種情況下N溝道管 TN為工作管P溝道管TP為負(fù)載管。但是，由于電路是互補(bǔ)對(duì)稱的，這種假設(shè)可以是任意的，相反的情況亦將導(dǎo)致相同的結(jié)果。下圖分析了當(dāng)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(fù)載線，它是負(fù)載管TP在 vSGP=0V時(shí)的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），負(fù)載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點(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)，電路的功耗很小（微瓦量級(jí)）
下圖分析了另一種極限情況，此時(shí)對(duì)應(yīng)于vI＝0V。此時(shí)工作管TN在vGSN＝0的情況下運(yùn)用，其輸出特性iD－vDS幾乎與橫軸重合 ，負(fù)載曲線是負(fù)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 。可見(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。
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(dāng)VDD-|VTP|>vI>VTN 時(shí),TN和TP兩管同時(shí)導(dǎo)通。考慮到電路是互補(bǔ)對(duì)稱的，一器件可將另一器件視為它的漏極負(fù)載。還應(yīng)注意到，器件在放大區(qū)（飽和區(qū)）呈現(xiàn)恒流特性，兩器件之一可當(dāng)作高阻值的負(fù)載。因此，在過(guò)渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài)。
CMOS反相器在電容負(fù)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?yàn)殡娐肪哂谢パa(bǔ)對(duì)稱的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)vI=0V時(shí) ，TN截止，TP導(dǎo)通，由VDD通過(guò)TP向負(fù)載電容CL充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的gm值均設(shè)計(jì)得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時(shí)間常數(shù)較小。類似地，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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