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    cmos反相器工作原理及傳輸特性、工作速度詳解-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2018-08-29 

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    cmos反相器工作原理
    cmos反相器介紹

    反相器是可以將輸入信號的相位反轉180度,這種電路應用在模擬電路,比如說音頻放大,時鐘振蕩器等。在電子線路設計中,經常要用到反相器。CMOS反相器電路由兩個增強型MOS場效應管組成。典型TTL與非門電路電路由輸入級、中間級、輸出級組成。

    cmos反相器工作原理

    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溝道結構,另一個為P溝道結構。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VDD>(VTN+|VTP|) 。

    cmos反相器工作原理

    CMOS反相器工作原理

    首先考慮兩種極限情況:當vI處于邏輯0時 ,相應的電壓近似為0V;而當vI處于邏輯1時,相應的電壓近似為VDD。假設在兩種情況下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,這種假設可以是任意的,相反的情況亦將導致相同的結果。下圖分析了當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?。ㄎ⑼吡考墸?/span>

    cmos反相器工作原理

    下圖分析了另一種極限情況,此時對應于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 ??梢娚鲜鰞煞N極限情況下的功耗都很低。

    cmos反相器工作原理

    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VDD-|VTP|>vI>VTN 時,TN和TP兩管同時導通??紤]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。還應注意到,器件在放大區(飽和區)呈現恒流特性,兩器件之一可當作高阻值的負載。因此,在過渡區域,傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/2處轉換狀態。

    cmos反相器工作原理

    CMOS反相器工作速度

    CMOS反相器在電容負載情況下,它的開通時間與關閉時間是相等的,這是因為電路具有互補對稱的性質。下圖表示當vI=0V時 ,TN截止,TP導通,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值均設計得較大,其導通電阻較小,充電回路的時間常數較小。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。

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