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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(hào)的相位反轉(zhuǎn)180度,這種電路應(yīng)用在模擬電路,比如說音頻放大,時(shí)鐘振蕩器等。在電子線路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常要用到反相器。CMOS反相器電路由兩個(gè)增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成。典型TTL與非門電路電路由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)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(qiáng)型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補(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)管子的開啟電壓的絕對(duì)值之和,即VDD>(VTN+|VTP|) 。

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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 ,而通過兩管的電流接近于零。這就是說,電路的功耗很?。ㄎ⑼吡考?jí))

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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。

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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)。

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CMOS反相器工作速度

CMOS反相器在電容負(fù)載情況下,它的開通時(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(shí)間約為10ns。

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