cmos反相器設(shè)計(jì)電路圖 - 全文

　　CMOS反相器簡(jiǎn)介

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

　　下圖表示CMOS反相器電路，由兩只增強(qiáng)型MOSFET組成，其中一個(gè)為N溝道結(jié)構(gòu)，另一個(gè)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(gè)管子的開(kāi)啟電壓的絕對(duì)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(shí)，相應(yīng)的電壓近似為0V；而當(dāng)vI處于邏輯1時(shí)，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(fù)載管。但是，由于電路是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(shí)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(fù)載線，它是負(fù)載管TP在vSGP=0V時(shí)的輸出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），負(fù)載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點(diǎn)即工作點(diǎn)。顯然，這時(shí)的輸出電壓vOL≈0V（典型值＜10mV，而通過(guò)兩管的電流接近于零。這就是說(shuō)，電路的功耗很小（微瓦量級(jí)）

　　下圖分析了另一種極限情況，此時(shí)對(duì)應(yīng)于vI＝0V。此時(shí)工作管TN在vGSN＝0的情況下運(yùn)用，其輸出特性iD－vDS幾乎與橫軸重合，負(fù)載曲線是負(fù)載管TP在vsGP＝VDD時(shí)的輸出特性iD－vDS。由圖可知，工作點(diǎn)決定了VO＝VOH≈VDD；通過(guò)兩器件的電流接近零值?？梢?jiàn)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(shí)，TN和TP兩管同時(shí)導(dǎo)通?？紤]到電路是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的，一器件可將另一器件視為它的漏極負(fù)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(fù)載。因此，在過(guò)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(fù)載情況下，它的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間是相等的，這是因?yàn)殡娐肪哂谢パa(bǔ)對(duì)稱(chēng)的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)vI=0V時(shí)，TN截止，TP導(dǎo)通，由VDD通過(guò)TP向負(fù)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(jì)得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時(shí)間常數(shù)較小。類(lèi)似地，亦可分析電容CL的放電過(guò)程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時(shí)間約為10ns。

　　CMOS反相器的電路圖設(shè)計(jì)

　　首先利用LTspice進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)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(shí)就點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，則會(huì)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(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)，可以實(shí)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(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)可放置地線，點(diǎn)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(hào)源

　　電路做好后，在電路輸入端加激勵(lì)信號(hào)源，才能觀察到電路的反應(yīng)如何。接入信號(hào)源的步驟如下：第一步，在元器件庫(kù)中找到獨(dú)立電壓源Voltage；第二步，雙擊Voltage，讓它進(jìn)入畫(huà)圖界面；第三步，拖動(dòng)Voltage圖標(biāo)，移到電路輸入端；第四步，右擊Voltage圖標(biāo)，對(duì)它進(jìn)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(shí)上升沿時(shí)間下降沿時(shí)間脈沖寬度脈沖周期仿真周期個(gè)數(shù)），如圖：

　　6、仿真設(shè)置

　　在運(yùn)行仿真命令之前，首先必須設(shè)置仿真類(lèi)型。在電路原理圖輸入窗口中，找到Simulate選項(xiàng)，單擊它，選中EditSimulationCmd。對(duì)CMOS反相器運(yùn)行Transient仿真，進(jìn)行功能和時(shí)序分析。在EditSimulationCmd選中Transient，然后在出現(xiàn)的對(duì)話框中進(jìn)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