CMOS反相器簡介

　　MOSFET有P溝道和N溝道兩種，每種中又有耗盡型和增強型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補MOS或CMOS電路。

　　下圖表示CMOS反相器電路，由兩只增強型MOSFET組成，其中一個為N溝道結(jié)構(gòu)，另一個為P溝道結(jié)構(gòu)。為了電路能正常工作，要求電源電壓VDD大于兩個管子的開啟電壓的絕對值之和，即

　　CMOS反相器工作原理

　　首先考慮兩種極限情況：當(dāng)vI處于邏輯0時，相應(yīng)的電壓近似為0V；而當(dāng)vI處于邏輯1時，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為負載管。但是，由于電路是互補對稱的，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，疊加一條負載線，它是負載管TP在vSGP=0V時的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），負載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點即工作點。顯然，這時的輸出電壓vOL≈0V（典型值＜10mV，而通過兩管的電流接近于零。這就是說，電路的功耗很小（微瓦量級）

　　下圖分析了另一種極限情況，此時對應(yīng)于vI＝0V。此時工作管TN在vGSN＝0的情況下運用，其輸出特性iD－vDS幾乎與橫軸重合，負載曲線是負載管TP在vsGP＝VDD時的輸出特性iD－vDS。由圖可知，工作點決定了VO＝VOH≈VDD；通過兩器件的電流接近零值。可見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。

　　CMOS反相器傳輸特性

　　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，TN和TP兩管同時導(dǎo)通。考慮到電路是互補對稱的，一器件可將另一器件視為它的漏極負載。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)作高阻值的負載。因此，在過渡區(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反相器工作速度

　　CMOS反相器在電容負載情況下，它的開通時間與關(guān)閉時間是相等的，這是因為電路具有互補對稱的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)vI=0V時，TN截止，TP導(dǎo)通，由VDD通過TP向負載電容CL充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的gm值均設(shè)計得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時間常數(shù)較小。類似地，亦可分析電容CL的放電過程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時間約為10ns。

　　CMOS反相器的電路圖設(shè)計

　　首先利用LTspice進行電路圖設(shè)計的仿真，步驟如下：

　　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要旋轉(zhuǎn)＋倒置，其中CTRL+R的功能是旋轉(zhuǎn)，而ctrl+E的功能是鏡像的作用。如圖所示：

　　2、設(shè)置兩mos管的參數(shù)：

　　將鼠標(biāo)移至PMOS或者NMOS管上，待出現(xiàn)手指圖案時就點擊鼠標(biāo)右鍵，則會出現(xiàn)MOS管的設(shè)置窗口，本文將參數(shù)均設(shè)置為0.12u。

　　3、在電路輸入界面中的EDIT下拉菜單中找到DrawWire或點擊工具欄圖標(biāo)，可以實現(xiàn)原件互連。而后，鼠標(biāo)放置在線的終端，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇LabelNet，設(shè)置應(yīng)的標(biāo)簽或者點擊工具欄圖標(biāo)可放置地線，點擊工具欄圖標(biāo)可以添加并設(shè)置輸入/輸出口。布線后結(jié)果如圖：添加其他器件及連接線，完成圖：

　　4、封裝：

　　5、接入信號源

　　電路做好后，在電路輸入端加激勵信號源，才能觀察到電路的反應(yīng)如何。接入信號源的步驟如下：第一步，在元器件庫中找到獨立電壓源Voltage；第二步，雙擊Voltage，讓它進入畫圖界面；第三步，拖動Voltage圖標(biāo)，移到電路輸入端；第四步，右擊Voltage圖標(biāo)，對它進行設(shè)置。在彈出的的窗口中選擇PULSE，它的PULSE參數(shù)分別為（05v0.5ms1n1n1s2s10），這些參數(shù)表示為（低電平脈沖大小延時上升沿時間下降沿時間脈沖寬度脈沖周期仿真周期個數(shù)），如圖：

　　6、仿真設(shè)置

　　在運行仿真命令之前，首先必須設(shè)置仿真類型。在電路原理圖輸入窗口中，找到Simulate選項，單擊它，選中EditSimulationCmd。對CMOS反相器運行Transient仿真，進行功能和時序分析。在EditSimulationCmd選中Transient，然后在出現(xiàn)的對話框中進行設(shè)置，Transient仿真設(shè)置后得到的結(jié)果如圖所示。

　　CMOS反相管的結(jié)果分析