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，要求电源电压V_DD＞(V_TN |V_TP|)
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V_DD。假设N沟道管T_N为工作管，P沟道管T_p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＝V_DD时的工作情况。参看图2(b)。在T_N的输出特性i_D-v_DS曲线簇中选择V_GSN=V_DD，并叠加一条负载线，它是负载管T_p在v_SGP=0V时的输出特性i_D-v_SD。由于v_SGP＜V_T(V_TN=|V_TP|=V_T)，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V_DSN=0V，由于电路的输出V_O=V_DSN，故V_OL＝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v_I＝0V，其工作状态示于图3(b)中。此时工作管T_N在v_GSN＝0的情况下运用，其输出特性i_D-v_DS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管T_p在v_GSP=V_DD时的输出特性i_D-v_DS。由图可知，工作点决定了V_OH≈V_DD；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＋V_DD，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V_DD＝10V，V_TN=|V_TP|=V_T=2V。由于V_DD＞(V_TN |V_TP|)，因此，当V_DD-|V_TP|>v_I＞V_TN时，T_N和T_P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I_DD/2处转换状态。

图4 CMOS反相器的传输特性

3. 工作速度
CMOS反相器在电容负载情况下，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v_I＝0V时，T_N截止，T_P导通，由V_DD通过T_P向负载电容C_L充电的情况。由于CMOS反相器中，两管g_m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C_L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