一文詳解NMOS逆變器和PMOS逆變器

NMOS逆變器

通常的做法是將柵極用作輸入，將漏極用作輸出，使源極和基板與地保持連接。

圖1顯示了輸入接地的增強型n溝道MOS（NMOS）的符號和連接。正電壓+V通過負載電阻（RL），偏置設(shè)備。負載電阻產(chǎn)生壓降Id?RL其中Id表示漏極電流?；?、源極和柵極接地。

圖1.帶接地輸入的增強型NMOS逆變器

當輸入接地時，柵極電容上的電壓為零，表示邏輯為0。因此，柵極電容將保持放電狀態(tài)，并且晶體管中不會形成溝道。在沒有通道的情況下，晶體管作為開路運行。它具有高電阻，因此，其漏極和源極之間的電流Id非常低。輸出變?yōu)檎?V）–邏輯1–因為負載電阻中的壓降可以忽略不計。

然后，使用接地輸入（邏輯0），晶體管“關(guān)斷”，輸出非常接近電源電壓（邏輯1）。

圖2顯示了相同的晶體管，但輸入連接到電源電壓+V（邏輯1）。

圖2.增強型NMOS逆變器，輸入端電壓為+V。

現(xiàn)在，柵極端子連接到正電壓。這會將電子吸引到柵極的氧化層。當足夠的電荷積聚在柵極下方時，結(jié)果是電子過多，硅在表面變成n型材料。

現(xiàn)在，一個n溝道連接n型源極和n型漏極，從而減小了電阻，并允許漏極電流ID從漏極流向源極。柵極上的正電壓打開晶體管，它充當閉合開關(guān)。打開晶體管所需的電壓是閾值電壓VT.

當晶體管導通時，它表現(xiàn)為電阻器。但是，由于n溝道的電阻與負載電阻相比具有較小的電阻，因此輸出幾乎變?yōu)榈仉娢花C邏輯0。

總而言之，將輸入接地（邏輯0）使輸出具有非常接近電源電壓的電壓（邏輯1），使輸入為正（邏輯1）導致輸出接地（邏輯0），用作逆變器。

術(shù)語增強型來自這樣一個事實，即晶體管充當“常開”開關(guān)，并在打開時導通。

請注意，輸入始終是直流信號的開路，因為柵極連接到電容器。因此，輸入電流僅在電容器的充電/放電時間內(nèi)不為零。

NMOS逆變器的一個弱點是在晶體管的ON狀態(tài)期間需要連續(xù)的電流從電源流向地面，這可能導致功耗顯著增加，尤其是在處理復(fù)雜電路時。

PMOS逆變器

PMOS晶體管以互補方式工作，逆變器電路連接與NMOS版本相反。

圖3顯示了PMOS逆變器的符號和連接，輸入端施加電壓+V，代表邏輯1?；搴驮礃O連接到+V，負載電阻接地。

圖3.具有+V輸入的增強型PMOS逆變器

+V輸入（Vgs=0V）不對柵極電容充電，使晶體管保持“關(guān)斷”。因此，與負載電阻相比，晶體管的電阻較高，從而提供接地輸出（邏輯0）。

圖4顯示了具有接地輸入的PMOS逆變器（輸入施加邏輯0）。

圖4.帶接地輸入的增強型PMOS逆變器

接地輸入（Vgs=-V）為柵極電容器充電，使電子保持在電容器的柵極側(cè)。電容器另一側(cè)的電荷為正，由正電壓源提供。

有了足夠的累積正電荷，它們將n型硅的表面轉(zhuǎn)化為p型材料，在源極和漏極之間形成低電阻連續(xù)p溝道。此條件打開晶體管，允許漏極電流Id從源極流向漏極。

由于晶體管的導通電阻與負載電阻相比非常小，因此其壓降很小，輸出非常接近+V（邏輯1）。

與NMOS逆變器一樣，輸入端的邏輯0在輸出端產(chǎn)生邏輯1，反之亦然。

逆變器介紹

逆變器是反轉(zhuǎn)所施加信號的邏輯元件。在數(shù)字電路中，開關(guān)或邏輯功能的二進制算術(shù)和數(shù)學操作最好使用符號0（零）和1（一）執(zhí)行。如果邏輯電平為0（接地）或0 V，1（V伏），則在逆變器中，0 V的輸入電平會導致輸出電平為V伏，反之亦然。

另一種方法是給出一個真值表，其中包含所有可能的輸入值及其結(jié)果輸出的排列，而不是用文字陳述這些邏輯運算。例如，表1顯示了逆變器的真值表。