文档介绍：CMOS反相器
组员:段世强
刘健
康皖璐
Contents
CMOS反相器构造
CMOS反相器主要特性
CMOS反相器特点
CMOS反相器工作原理
CMOS反相器的优越性
CMOS反相器的构造
CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管,N沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗,因为在两种逻辑状态中,两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高,因为与NMOS型和PMOS型反相器相比,CMOS反相器的电阻相对较低。
CMOS反相器工作原理
图1 CMOS反相器工作原理图
两个MOS管的开启电压Vgs(th)p<0, Vgs(th)n>0,通常为保证正常工作,
要求Vdd>Vgs(th)p+Vgs(th)n。
若输入Vi为低电平,则负载管导通,输入管截止,输出电压接近Vdd。若输入Vi为高电平,则负载管截止,输入管导通,输出电压接近0V。
CMOS反相器主要特性
输入输出特性。
电压传输特性和电流传输特性。
电源特性。
电压传输特性和电流传输特性
(1)CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。
工作区Ⅰ:由于输入管截止,故vO=VDD,处于稳定关态。
工作区Ⅲ:PMOS和NMOS均处于饱和状态,特性曲线急剧变化,vI值等于阈值电压Vth。
工作区Ⅴ:负载管截止,输入管处于非饱和状态,所以vO≈0V,处于稳定的开态。
(2)CMOS反相器的电流传输特性曲线,只在工作区Ⅲ时,由于负载管和输入管都处于饱和导通状态,会产生一个较大的电流。其余情况下,电流都极小。
输入输出特性
(2)输出特性

当输入Vi为高电平时,负载管截止,输入管导通,负载电流灌入输入管。输出电阻的大小与Vgsn有关,Vi越大,输出电阻越小,反相器带负载能力越强。

当输入Vi为低电平时,负载管导通,输入管截止,负载电流是拉电流。 Vgsp越大,负载电流的增加使Voh下降越小,带拉电流负载能力就越强。
(1)输入特性
为了保护栅极和衬底之间的氧化层不被击穿,CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用,使得MOS管在正或者负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。
电源特性
CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗,静态功耗非常小,通常可忽略不计。 CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗,尤其是在工作频率较高时,动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第三工作区时将产生瞬时大电流。从而产生瞬时导通功耗。此外,动态功耗还包括在状态发生变化时,对负载电容充、放电所消耗的功耗。
CMOS反相器特点
静态功耗极低。在稳定时,CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ,总有一个MOS管处于截止状态,流过的电流为极小的漏电流。
抗干扰能力较强。,输入信号变化时,过渡变化陡峭,所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等,且随电源电压升高,抗干扰能力增强。
电源利用率高。VOH=VDD,同时由于阈值电压随VDD变化而变化,所以允许VDD有较宽的变化范围,一般为+3~+18V。
输入阻抗高,带负载能力强。
CMOS反相器的优越性
如果把CMOS反相器中的PMOS管作为负载元件,则CMOS反相器和几种NMOS反相器的性能差别主要是负载元件的性能差别引起的。
从直流特性看,由于NMOS反相器中的负载元件是常导通的,因此输出低电平决定与电路的分压比,是有比反相器,达不到最大逻辑摆幅,而且有较大的静态功耗。CMOS反相器中的PMOS管是作为开关器件,因此是无比电路,可以获得最大逻辑摆幅,而且不存在直流导通电流,有利于减小静态功耗。
从瞬态特性看,由于NMOS反相器是有比反相器,参数Kr>1,负载元件提供的充电电流很小,造成电路上升时间远大于下降时间,成为限制速度主要因数。CMOS反相器可以采用对称设计,有利于提高速度。