CMOS逆變器的特性/功耗/橫截面/電路圖

CMOS逆變器

CMOS逆變器非常簡(jiǎn)單，它將功耗降至最低水平。它由一對(duì)增強(qiáng)型NMOS和PMOS組成，作為交換機(jī)運(yùn)行，串聯(lián)連接，如圖所示。請(qǐng)注意，每個(gè)晶體管用作另一個(gè)晶體管的負(fù)載電阻。

CMOS逆變電路

柵極端子的接頭是輸入端，漏極的接頭是輸出端。PMOS （Q1） 襯底和源與 +V 綁定，而在 NMOS （Q2） 中，它們接地。

在晶體管Q2中對(duì)輸入施加+V（邏輯1）Vgs = +V時(shí)，它被打開，其源極和漏極之間的電阻變得非常小。相比之下，晶體管Q1中的Vgs = 0 V，使其保持“關(guān)斷”，漏極和源極之間具有高電阻。通過(guò)采用分壓器規(guī)則計(jì)算輸出電壓，結(jié)果接近0 V（邏輯0） 。

輸入端具有邏輯1的CMOS逆變器

因此，在輸入端施加+V會(huì)導(dǎo)致輸出端產(chǎn)生約0 V電壓，從而建立所需的反轉(zhuǎn)過(guò)程。

將輸入接地，晶體管Q2中的Vgs = 0 V，保持“關(guān)閉”，晶體管Q1中的Vgs = -V，并且“導(dǎo)通”。現(xiàn)在，Q1在源極和漏極之間具有低電阻，Q2具有高電阻。因此，輸出電壓接近+V（邏輯1）。

輸入端邏輯為0的CMOS逆變器

NMOS是一個(gè)下拉晶體管，因?yàn)樗鼘⑤敵鱿吕降兀汶妷海?，而PMOS是一個(gè)上拉晶體管，因?yàn)樗鼘⑤敵錾侠?V。

CMOS的橫截面

CMOS在基板上制造，用作電氣參考并提供機(jī)械支撐。橫截面將晶圓切開到晶體管的中間，并在其側(cè)面觀察。

圖是CMOS柵極的粗略橫截面，其中NMOS和PMOS晶體管在同一芯片上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于p溝道和n溝道器件，右側(cè)感應(yīng)p溝道，左側(cè)感應(yīng)n溝道。

CMOS柵極橫截面

在這種布置中，PMOS晶體管直接在n型襯底（體）中進(jìn)行，NMOS晶體管在通常稱為p阱的p型區(qū)域中進(jìn)行?？资且环N重要的低摻雜水平的深擴(kuò)散，可作為一個(gè)裝置的基質(zhì)，并在兩種裝置類型之間提供隔離。

采用p型底物作為主體并在n孔中形成p型器件也是可行的。未指定與n型體和p型孔的連接。

CMOS逆變器的功耗

CMOS電路的直流輸入電流可以忽略不計(jì)。兩種狀態(tài)下的功耗都很低，因?yàn)椤瓣P(guān)斷”晶體管將漏極電流限制在漏電流。功耗僅在輸入切換期間才明顯。

雖然CMOS的平均功率要求較低，但其幅度取決于電路的活動(dòng)。例如，在靜態(tài)電路中（不發(fā)生邏輯變化），CMOS消耗的功耗最小。與TTL相比，此功能使CMOS通常具有高能效。但是當(dāng)以高頻改變狀態(tài)時(shí)，消耗的功率可能會(huì)幾乎增加到TTL的水平。

CMOS逆變器的直流電壓傳輸特性

直流電壓傳輸特性（VTC）有助于量化逆變器的運(yùn)行。但是，它只是一個(gè)輸出電壓 （Vo） 與輸入電壓 （Vi） 的關(guān)系圖。

采用CMOS技術(shù)的逆變器具有非常接近理想的VTC。例如，圖顯示了Q1和Q2匹配的CMOS逆變器的VTC。

CMOS逆變器的VTC

在Q1和Q2匹配的情況下，逆變器具有對(duì)稱傳輸特性，并在上拉和下拉方向上具有相等的電流驅(qū)動(dòng)能力。CMOS逆變器的一個(gè)重要特性是高輸出電壓擺幅。

如圖9所示，VTC根據(jù)Q1和Q2的操作模式分為五個(gè)部分：

第 1 部分：Q2 關(guān)閉

第2段：Q2處于飽和狀態(tài)，Q1處于歐姆區(qū)域

第 3 部分：Q1 和 Q2 飽和

第 4 段：Q1 處于飽和狀態(tài)，Q2 處于歐姆區(qū)域

第 5 部分：Q1 關(guān)閉

該圖允許我們將邏輯 0 和邏輯 1 電壓定義擴(kuò)大到每個(gè)邏輯電平的電壓范圍。此外，用于定義邏輯 0 和邏輯 1 值的限制對(duì)于輸出和輸入是不同的。有效值是輸入電壓 Vih 和 Vil、輸出電壓 Voh 和 Vol 以及閾值電壓 VT.

Vih和Vil是VTC點(diǎn)，其斜率（dVo/dVi）為?1 V/V。當(dāng)Vi》Vil時(shí)，逆變器增益增加，VTC進(jìn)入其過(guò)渡區(qū)。同樣，當(dāng)Vi《Vih時(shí)，逆變器進(jìn)入過(guò)渡區(qū)域，增加增益。

VTC的另一個(gè)基本要素是單位增益線。這條線的斜率 = 1，并將曲線切割到 Vo = Vi 的點(diǎn)。在VTC的中點(diǎn)，逆變器切換狀態(tài)。因此，使用上述VTC，輸出在地+V（+V/2時(shí)）之間精確地改變狀態(tài)。

當(dāng)晶體管Q1和Q2不匹配時(shí)，VTC將不對(duì)稱。