第三章CMOS反相器介绍及设计

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cmos反相器的工作原理

cmos反相器的工作原理
CMOS反相器的工作原理是基于CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的电路。

CMOS反相器是一种用于取反输入信号的数字电路。

它由一对互补型MOSFET
（金属氧化物半导体场效应晶体管）组成，包括一个P型MOSFET和一个N型MOSFET。

CMOS反相器的输入端连接到P型MOSFET的栅极，同时也连接到N型MOSFET的栅极。

而输出端则连接到两个MOSFET的源极之间。

其中，P型MOSFET的源极连接到正电源（VDD），而N型MOSFET的源极连接到地。

当输入端的电压为高电平（逻辑1）时，P型MOSFET的栅极电压低于P型MOSFET的阈值电压，导致P型MOSFET处于关闭状态，不导通。

与此同时，N
型MOSFET的栅极电压高于N型MOSFET的阈值电压，导致N型MOSFET处于
导通状态。

当输入端的电压为低电平（逻辑0）时，P型MOSFET的栅极电压高于P型MOSFET的阈值电压，导致P型MOSFET处于导通状态。

与此同时，N型MOSFET的栅极电压低于N型MOSFET的阈值电压，导致N型MOSFET处于关
闭状态，不导通。

根据上述工作原理，当输入端为高电平时，输出端会产生低电平（逻辑0）的
信号；当输入端为低电平时，输出端会产生高电平（逻辑1）的信号。

因此，CMOS反相器能够将输入信号取反输出。

CMOS反相器具有低功耗、高噪声容忍度和良好的抗干扰能力等优点，因此被
广泛应用于数字逻辑电路和微处理器中。

它在现代电路设计中起着重要的作用，帮助实现数字电路中的信号处理和逻辑功能。

CMOS反相器的分析与设计

CMOS反相器的分析与设计CMOS反相器由一对互补金属氧化物半导体场效应晶体管（n型MOSFET和p型MOSFET）组成。

n型MOSFET和p型MOSFET分别由n型沟道和p型沟道构成。

它们的沟道接在一起，形成一个共用的沟道。

根据输入电压的高低，CMOS反相器能够在输出端产生相反的电平。

CMOS反相器的工作原理是利用MOSFET的负阈值特性，即当输入电压高于一些阈值电压时，MOSFET处于关断状态；当输入电压低于阈值电压时，MOSFET处于导通状态。

CMOS反相器由这两个互补的MOSFET构成，保证了输入电压上升时一个MOSFET关闭，另一个MOSFET打开，输出电压下降；输入电压下降时，一个MOSFET打开，另一个MOSFET关闭，输出电压上升。

这样就实现了电平的反转。

1.确定输入输出电平：根据电路的需求，确定输入输出电平的高低电压范围，并根据具体电路的工作电压确定电源电压。

2.选择适当的MOSFET：根据设计要求，选择合适的n型MOSFET和p 型MOSFET，以满足工作电流和电压要求。

3.确定电阻参数：根据MOSFET的特性，选择合适的电阻参数来限制输入电流和确定电路的放大倍数。

4.确定电容参数：根据电路的带宽要求，确定输入和输出端的负载电容。

5.确定工作频率：根据电路的工作频率要求，确定MOSFET的开启和关闭时间。

6.进行电路仿真：通过电路仿真软件，验证设计的正确性和性能。

CMOS反相器的设计可以通过电路仿真软件如LTSpice来实现。

首先，根据设计要求选择适当的MOSFET，并确定电源电压和电阻电容参数。

然后，通过电路仿真软件搭建CMOS反相器电路，并进行仿真分析。

通过观察输入电压和输出电压的波形曲线，验证电路的正确性和性能。

如果需要进一步优化电路性能，可以通过调整各个元器件的参数来实现。

总结起来，CMOS反相器是一种常见的数字逻辑门电路，利用MOSFET的特性来实现输入输出电平的反转。

CMOS反相器的概述

CMOS反相器的概述CMOS反相器是一种非常常用的逻辑门，可以进行数字信号的反相操作。

CMOS反相器由CMOS技术制造而成，具有低功耗、高可靠性和低噪声的特点。

在数字电路中，CMOS反相器被广泛应用于时序电路、计数器、存储器等模块。

CMOS反相器的基本结构包括一个N型MOS管和一个P型MOS管，N型管和P型管的栅极通过逻辑信号控制，当输入信号为高电平时，N型管导通，P型管截断；当输入信号为低电平时，N型管截断，P型管导通。

这样，输出信号就与输入信号相反，实现了信号的反相操作。

CMOS反相器的输入和输出特性非常重要。

在CMOS反相器中，输入和输出电平可以区分为三个状态：高电平、低电平和开路状态。

当输入电平为高电平时，即逻辑1时，N型管导通，输出电平为低电平，即逻辑0；当输入电平为低电平时，即逻辑0时，P型管导通，输出电平为高电平，即逻辑1；当输入电平为开路状态时，即逻辑Z，输出电平保持上一个状态。

CMOS反相器的优点在于其低功耗和高可靠性。

由于CMOS技术将N型和P型管结合在一起，只有当输入信号改变时才会有电流流动。

在不改变输入信号时，CMOS反相器几乎不消耗功耗。

此外，由于N型和P型管分别负责导通和截断，CMOS反相器对噪声和电压干扰的抵抗能力较强，能够提供稳定的输出信号。

另外，CMOS反相器还具有较高的噪声容限和抗串扰能力。

在数字电路中，信号的传输会产生一定的噪声和串扰，这会导致信号的失真和误差。

CMOS反相器在设计上减小了管子之间的互感和电路之间的耦合，使其能够在抗噪声和抗串扰方面有较好的性能。

这使得CMOS反相器能够适应较严苛的工作环境，提供可靠的信号处理能力。

尽管CMOS反相器具有许多优点，但它也存在一些问题。

首先，由于CMOS反相器采用两个互补型MOS管连接而成，因此在制造过程中需要精心控制各项参数，如电流、阈值电压等，这使得制造过程复杂，成本较高。

此外，CMOS反相器在频率较高的应用中，存在一定的延迟和功耗问题，因此在高速和高频率应用中需要进行相应的优化和补偿。

CMOS反相器

CMOS反相器由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。

由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。

为了电路能正常工作，要求电源电压V DD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即V DD＞(V TN＋|V TP|) 。

1.工作原理首先考虑两种极限情况：当v I处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当v I处于逻辑1时，相应的电压近似为V DD。

假设在两种情况下N沟道管T N为工作管P沟道管T P为负载管。

但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。

下图分析了当v I=V DD时的工作情况。

在TN的输出特性i D—v DS（v GSN ＝V DD）(注意v DSN=v O)上，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，这时的输出电压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（微瓦量级）下图分析了另一种极限情况，此时对应于v I＝0V。

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 sGP＝V DD时的输出特性i D－v DS。

由图可知，工作点决定了V O＝V OH≈V DD；通过两器件的电流接近零值。

可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V DD，而功耗几乎为零。

2.传输特性下图为CMOS反相器的传输特性图。

图中V DD=10V，V TN=|V TP|=V T= 2V。

CMOS反相器版图设计

XXXXXXX实验报告课程名称：集成电路设计实验名称：CMOS反相器版图设计学号姓名：指导教师评定：____________________________ 签名：_____________________________一、实验目的1、了解集成电路版图设计流程。

2、利用L-Edit 进行NMOSFET 版图设计。

3、利用L-Edit 进行CMOS反相器设计。

二、实验器材计算机一台，Tanner L-Edit软件三、实验原理CMOS 反相器由PMOS 和NMOS 晶体管组成，利用PMOS晶体管版图和NMOS 晶体管版图可以完成COMS反相器版图的设计。

四、实验步骤1、设计PMOS晶体管版图。

2、设计N MOS晶体管版图。

3、设计CMOS反相器版图：（1）启动版图编辑器L-Edit。

（2）新建文件。

新建一个Layout 文件，文件的设置信息可以从前面创建的文件中复制。

(3) 对文件进行重命名。

将L-Edit 编辑器默认的文件名Layout 改为Inverter。

(4) 设置格点与坐标。

格点与坐标的设定方式与创建PMOS 晶体管时设定的方法一致。

(5) 调用PMOS 和NMOS 晶体管作为例化单元。

使用Cell---Instance 命令来调用PMOS 单元。

在出现的Select Cell to Instance 对话框中，通过点击Browse按钮浏览到“MOS”文件，可以看到该文件下面有PMOS 和NMOS 两个单元，点击PMOS，然后点击“OK”，可以看到Inverter 文件cell0 单元的版图已经添加了PMOS 单元。

利用同样的方法，可以将NMOS 单元也添加进来。

(6) 连接PMOS 和NMOS 晶体管的栅极。

从CMOS 反相器电路可知，PMOS晶体管和NMOS 晶体管的栅极要连在一起作为反相器的输入端，所以在放置这两个晶体管的时候可以将两者的栅极对准，以便连接。

具体操作是，选择Layer的多晶硅(Poly)层和方框绘图工具后，在版图区域中画一个宽度与晶体管栅极相等的多晶硅矩形，如图1 所示。

cmos反相器逻辑电路设计的方法

cmos反相器逻辑电路设计的方法CMOS反相器是基本的逻辑门之一，可以用来构建更复杂的逻辑电路。

以下是设计CMOS反相器逻辑电路的方法：
1.选择合适的器件：CMOS反相器由PMOS和NMOS组成，
需要选择合适的器件来满足电路的要求。

通常，PMOS
的沟道为空穴，具有高电导率，适合作为开关，而NMOS
的沟道为电子，具有低电导率，适合作为负载。

2.设计电路结构：根据反相器的设计要求，设计电路结构，
包括PMOS和NMOS的排列方式、输入和输出的连接方式
等。

3.确定参数：根据电路的要求，确定参数，如阈值电压、
静态电流、动态电流等。

4.进行模拟验证：使用电路模拟软件进行验证，确认电路
的功能和性能是否达到设计要求。

5.进行版图设计：根据电路设计的要求，进行版图设计，
包括器件的排列、布线、电学参数的优化等。

6.进行制造和测试：将版图提交给制造厂家进行制造，并
进行测试，确认电路的性能和可靠性是否符合设计要
求。

需要注意的是，在设计CMOS反相器逻辑电路时，需要考虑电路的稳定性、速度、功耗等因素，以满足实际应用的要求。

同时，还需要遵循基本的电路设计规则和安全规范，如避免电流过大、避免信号过冲等。

详细讲解cmos反相器的原理及特点

详细讲解cmos反相器的原理及特点详细讲解cmos反相器的原理及特点CMOS(cornplementary MOS)由成对的互补p沟道与n沟道MOSFET所组成．CMoS逻辑成为目前集成电路设计最常用技术的缘由，在于其有低功率损耗以及较佳的噪声抑止才干．事实上，由于低功率损耗的需求，目前仅有CMOS技术被运用于ULSI 的制造．CMOS反相器如图6. 28所示，CMOS反相器为CMOS逻辑电路的基本单元．在CMOS反相器中，p 与n沟道晶体管的栅极衔接在一同，并作为此反相器的输入端，而此二晶体管的漏极也连接在一同，并作为反相器的输出端.n沟道MOSFET的源极与衬底接点均接地，而p沟道MOSFET的源极与衬底则衔接至电源供应端(VDD)，需留意的是p沟道与n沟道MOSFET 均为增强型晶体管，当输入电压为低电压时（即vin=O，VGsn=o｜VTp｜（VGSp与VTp 为负值），所以p沟道MOSFET．为导通态，因此，输出端经过p沟道MOSFET充电至VDD，当输入电压逐渐升高，使栅极电压等于VDD时，由于VGSn＝VDD>VTn，所以n 沟道MOSFET将被导通，而由于｜VGSp ｜≈O欲更深化天文解CMOS反相器的工作，可先画出晶体管的输出特性，如图6.29所示，其中显现Ip以及In为输出电压（V out）函数．Ip为p沟道MOSFET由源极（衔接至VDD）流向漏极（输出端）的电流；In为n沟道MOSFET由漏极（输出端）流向源极（衔接至接地端）的电流．需留意的是在固定V out下，增加输入电压(vin)将会增加In而减少Ip，但是在稳态时，In应与Ip相同，关于给定一个Vin 可由In(Vin)与Ip(Vin)的截距，计算出相对应的V out如图6. 29所示．如图6.30所示的Vin-V out曲线称为CMOS反相器的传输曲线．CMOS反相器的一个重要的特性是，当输出处于逻辑稳态（即V out=或VDD）时，仅有一个晶体管导通，因此由电源供应处流到地端的电流非常小，且相当于器件关闭时的漏电流．事实上，只需在两个器件暂时导通时的极短暂态时间内才会有大电流流过，因此与。

CMOS反相器的设计

KN=3.46×10-5 (A/V2),
考察噪声容限：VNLM= Vit=2.43V=0.49 VDD,
11
VNHM=VDD- Vit=2.57V=0.51 VDD
tpHL tpLH 2 CLVHL 1 tpHL f 2 Iav,HL 1 N tp CLVLH 1 tpLH r 2 Iav,LH 1 P
9
例题

设计一个CMOS反相器，使最大噪声容限不小于0.44 VDD，且驱动1pF负载电容时上升、下降时间不大于 10ns，设VDD = 5V，VTN = 0.8V，VTP = -1V，Cox = 4.6×10-8 F/cm2，μn = 500 cm2/Vs、μp = 200 cm2/Vs。

完成能够实现设计要求的集成电路产品设计要求：

功能可靠性速度面积功耗
3
1、反相器的可靠性
噪声容限：逻辑阈值点
把Vit做为允许的输入高电平和低电平极限 VNLM=Vit VNHM=VDD-Vit VTN 1 K r VDD VTP VNLM与VNHM中较小的 Vin 决定最大直流噪声容限 1 1 K
10
1 1 Kr Vit = VTN 1 K r VDD VTP 1 1 Kr K r VTN VDD VTP 1 Kr
1 t r r P 2 2(1 ) ln (1 P ) P
0.1

1.9 2 P 0.1

1
CMOS反相器的设计

实际情况：不可能获得完全对称设计
输入信号较差：考虑噪声容限负载电容较大：考虑速度对于大部分内部电路(扇出为1)：考虑面积

cmos反相器工作原理

cmos反相器工作原理
CMOS反相器是一种基于混合型CMOS技术开发的一种电路，它由一个
主要的反相器和周围电路组成。

它的工作原理是：输入端口输入电压必须
处于某一范围之内，它的输出端口电压高于输入端口的电压值，即输出一
个反向电压值，这就是CMOS反相器的作用原理。

CMOS反相器通常由几个主要的组件组成，这些组件包括p-型晶体管、n-型晶体管和金属氧化物半导体（MOSFET）。

反相器的输入端口会接受一
种电压值，这是输入电压，而晶体管和MOSFET会根据输入电压值来响应，一些形成周围电路的组件会根据所输入的电压来决定电流，最后将得到一
个反向的输出电压。

CMOS反相器的优点在于它的低功耗使得它可以用在节能类的电路中，并且它的体积小，结构简单以及可靠性高。

而且它输出电压的高低可以调节，因此它可以提高电路的灵活性和可靠性，也可以提高电路的稳定性。

第3章 CMOS反相器的分析与设计

K N Vin VTN K P Vin VTP VDD
2
2
Vit
K r VTN VDD VTP 1 Kr
14
北京大学微电子学系贾嵩 2010
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性

(4) Vout+VTN<Vin<VDD+VTP，NMOS线性， PMOS饱和

理想VTC曲线：出低电平区。其中(3)表现为垂线段。
(1)为输出高电平区，(2)、(3)、(4)为转变区，(5)为输

实际VTC曲线：
(3)不再是垂线段；偏移。
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北京大学微电子学系贾嵩 2010
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性

VTC的偏移：
K N Vin VTN K P Vin VTP VDD
K N Vin VTN K P Vin VTP VDD
2 2
Vit
K r VTN VDD VTP 1 Kr
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北京大学微电子学系贾嵩 2010
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性

(3) Vout+VTP≤Vin≤Vout+VTN，NMOS饱和， PMOS饱和 Vit：逻辑阈值电平(转换电平)， VTC垂直下降如果VTN = -VTP，KN=KP，则Vit=VDD/2， Vout/Vin趋向于无穷大。

10
北京大学微电子学系贾嵩 2010
3.2.1 CMOS反相器的直流电压传输特性

(1) 0≤Vin≤VTN，NMOS截止， PMOS线性
2 2 I DN I DP K P Vin VTP VDD Vin VTP Vout 0 Vout VDD

CMOS反相器文档资料

浅槽隔离是在衬底上制作晶体管有源区之间隔离区的一种可选工艺，这一方法在制作亚0.25um器件时尤其有效。主要分为3个步骤：槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化。其中槽刻蚀分为4个步骤：1、隔离氧化层；2、氮化物淀积;3、第三层掩膜（浅槽隔离）；4、STI槽刻蚀，如图。氮化物的作用有: 其一，它是一层坚固的掩膜材料，有助于STI氧化物淀积过程中保护有源区；其二，它可以在化学机械抛光（CMP）中充当抛光阻挡层。没有光刻胶保护的区域被离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉氮化硅、氧化硅以及硅。
---或门的逻辑描述
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY MYOR2 IS;
PORT(A,B:IN STD_LOGIC;
C: OUT STD_LOGIC );
END ENTITY MYOR2;
ARCHITECTURE FU1 OF MYOR2 IS
ENTITY HADDER IS
PORT (A,B:IN STD_LOGIC;
SO,CO:OUT STD_LOGIC);
END ENTITY HADDER;
ARCHITECTURE FH1 OF HADDER IS
BEGIN
SO<=A XOR B;
CO<=A AND B;
END ARCHITECTURE FH1;
多晶硅栅结构工艺
22
轻掺杂（LDD）漏注入工艺每个晶体管都要经过两次注入，首先是称为轻掺杂漏注入的浅注入，随后
是中等或高剂量的源/漏（S/D）注入。轻掺杂漏注入使用砷和BF2这些较大质量的掺杂材料使硅片表面成为非晶态。大质量材料和表面非晶态的结合有助于维持浅结，浅结还有助于减少源漏间的沟道漏电流效应。N-轻掺杂漏注入的步骤是：1、第五层掩膜（N-LDD注入）；2、N-LDD注入（低能量，浅结），如图。P-轻惨杂漏注入的步骤是：1、第六层掩膜（P-LDD注入）；2、 P-LDD注入（低能量，浅结）。

第三章-MOS管反相器

图3.5.2 两级CMOS反相器级联
（a）充电模型
（b）放电模型
图3.5.3 延迟模型
（a）充电过程
（b）放电过程
图3.5.4 主要电阻和电容来源
3.6 功耗
CMOS反相器的耗功P由两部分组成，（1）静态功耗，即反向漏电造成的功耗PD；（2）动态功耗，即反相器电平发生跳变时产生的功耗。
3.1 引言
反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平时，其输出为低电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电路中的表示符号如图3.1.1所示。
图3.1.1 反相器符号
图3.1.2 反相器结构
3.2 NMOS管负载反相器 3.2.1 增强型NMOS管负载反相器
1、负载NMOS管工作于饱和区的反相器
1、静态功耗图3.6.1 CMOS反相器的稳态时没有电流
图3.6.2 NMOS反相器稳态会产生电流
2、动态功耗
以CMOS反相器为例来分析动态功耗。在输入信号从逻辑0到逻辑1的跳变或输入信号从逻辑1到逻辑0跳变的瞬间， CMOS反相器的NMOS晶体管和PMOS晶体管都处于导通状态，这导致一个从电源VDD到地的窄电流脉冲。同时为了对负载电容进行充电和放电，也需要有电流流动，这将引起功耗。通常，对负载电容的充电和放电所需要的电流是造成动态功耗的主要因素。
（a）电路
3.3.2 CMOS反相器直流特性（b）转移特性（c）电流的变化
图3.3.1 CMOS反相器
3.4 动态反相器 3.4.1 动态有比反相器
图3.4.1 动态反相器
3.4.2 动态无比反相器图3.4.2 动态无比反相器
3.5 延迟
（a）反相器
（b）输入从逻辑0跳变到逻辑1 （c）输入从逻辑1跳变到逻辑图3.5.1 反相器产生延迟

第三章(1)门电路---CMOS

G2 门 v I 范围
输入低电平的上限值 VIL(max)
输入高电平的下限值 VIH(min)
输出高电平的下限值 VOH(min)
输出低电平的上限值 VOL(max)
3.1.2 逻辑门电路的一般特性
2.噪声容限：在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰
驱动门
01 1
数据输入端
EN A B
其他三态与非门： A
&
逻辑符号 B
低电平有效
2.产生的高、低电平半导体器件
iC
VCC Rc
Rb vI
VCC Rc
vo
vCE VCC
工作在饱和区:输出低电平工作在截止区:输出高电平
3.1.3 MOS开关及其等效电路
场效应三极管
利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。
由金属、氧化物和半导体制成。称为金属 -氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。
2、逻辑门电路的分类分立门电路
逻辑门电路集成门电路
二极管门电路三极管门电路
MOS门电路
TTL门电路
NMOS 门 PMOS门 CMOS门
TTL系列门
开关速度较快平均延迟时间：3~10ns 结构复杂、集成度低功耗高（2~20mw ）
MOS门
开关速度稍低
平均延迟时间：75ns 结构和制造工艺简单容易实现高密度制作功耗低（0.01mw）
IOL= nIIL
IIL
…
灌电流
1
IIL n个
NOL
?
I OL (驱动门) I IL (负载门)
3.1.2 逻辑门电路的一般特性

cmos反相器电路结构

cmos反相器电路结构CMOS反相器电路结构CMOS反相器是一种常见的数字逻辑门电路，用于将输入信号反转输出。

它由一对互补的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）组成，这些MOSFET分别被称为P型MOSFET和N型MOSFET。

CMOS反相器电路结构的设计使其能够实现低功耗、高噪声容限和较高的电压转换速度。

CMOS反相器电路由两个互补的MOSFET组成，一个是P型MOSFET，另一个是N型MOSFET。

P型MOSFET的栅极连接到输入信号，而N型MOSFET的栅极连接到P型MOSFET的反向输入信号。

源极和漏极分别通过电压源和接地连接。

在CMOS反相器中，当输入信号为低电平时，P型MOSFET导通，N型MOSFET截止，输出信号为高电平。

当输入信号为高电平时，P型MOSFET截止，N型MOSFET导通，输出信号为低电平。

因此，CMOS 反相器可以将输入信号反转输出。

CMOS反相器电路的优点之一是功耗较低。

由于只有在输入信号发生变化时，CMOS反相器才会消耗能量。

当输入信号保持不变时，MOSFET处于截止或导通状态，不会消耗能量。

这使得CMOS反相器非常适合用于低功耗应用，如移动设备和电池供电系统。

另一个优点是高噪声容限。

由于CMOS反相器电路中的MOSFET是互补的，当输入信号的电压接近电源电压时，会出现双门限效应。

这种效应可以提高抗噪声干扰的能力，使得CMOS反相器在噪声较多的环境中工作更加可靠。

CMOS反相器电路还具有较高的电压转换速度。

由于P型MOSFET和N 型MOSFET的导通和截止时间非常短，CMOS反相器可以在很短的时间内完成信号的反转。

这使得CMOS反相器非常适合用于高速数字电路中，如微处理器和通信系统。

总结一下，CMOS反相器电路结构由一对互补的MOSFET组成，通过控制MOSFET的导通和截止状态来实现输入信号的反转输出。

它具有低功耗、高噪声容限和较高的电压转换速度等优点，使得它成为数字电路设计中常用的逻辑门电路。

第三章_CMOS门电路

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MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要信号源提供电流。
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二、输出特性（反映CMOS带负载能力） 1、低电平输出特性即T2管的输出特性曲线
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VIH=VDD越大，VGS越大，则导通内阻越小， IOL相同，因此VOL越小。
二氧化硅二氧化硅
++ NN
++ NN
PP 衬底衬底
B B
5
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定义：开启电压（ UT）——
-
S
VGS
VDS
G - i D
-D
二氧化硅
沟道刚开始形成时的栅源
电压UGS。（一般2 ~ 3V）
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止，iD= 0； uGS ＞UT，管子导通，有iD。电流iD 越大。可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。
24
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漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）
VDD2
VDD1
使用时必须外接上拉电阻
D vO
内部逻辑 A B
RL
Y=(AB)'
A B Y
G
TN•
S
OD与非门逻辑符号
74HC03电路结构
与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。电平转换：vI：0~VDD1 vO：0~VDD2
C 电路结构 VTN=︱VTP︱
如何判断MOS管的源极和漏极？根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。

第3章-CMOS反相器的分析与设计

VDD Input
GND
反相器的逻辑符号
Vin
Vout
V DD
V in
V ou t
t
Output
特点：作为和的共栅极；作为共漏极；作为的源极和体端；作为的源极和体端
3.1 反相器的结构和基本特性
若输入为“1”( )： = ， = 0V 导通，截止输出“0” ( = 0V)
Vout Vin
的垂直线：导通/截止
－的斜线：饱和区/ 线性区
－的斜线：线性区/ 饱和区
3.2.1 反相器的直流电压传输特性
(1) 0≤≤，截止，线性
ID N ID P K P V in V T P V D D2V in V T P V o u t 2 0
在一定范围变化(0～)，V 始o u t终 V 保D D 持。
VNLM Vit 0Vit VNHM VDD Vit
若2，＝2。实际情况，，最大直流噪
声容限由 {} 决定。
例题
KN VinVTN 2 KP VinVTPVDD 2
Vit
KrVTN VDDVTP 1 Kr
一个反相器，1，设 = 5V， = 0.8V， = -1V， = 4.6×10-8 2，μn = 500 2、μp = 200 2。由逻辑阈值点确定的最大噪声容限为多少？
第3章反相器的分析与设计
第3章反相器的分析与设计
3.1 反相器的结构和基本特性 3.2 反相器的直流特性 3.3 反相器的瞬态特性 3.4 反相器的设计
3.1 反相器的结构和基本特性
管的衬底接地，管的衬底接。
输入端——栅极输出端——？极如何判断分析器中和器件
的源漏区？是否有衬偏效应？

第三章_CMOS反相器介绍及设计概要

第三章CMOS反相器第一节反相器的特性第二节CMOS反相器第三节CMOS反相器的设计第四节环振和反相器链第一节反相器的特性一、直流特性1、定义反相器是实现只有一个输入变量的最基本的逻辑门电路符号真值表理想反相器实际反相器逻辑1OH MAXV V V≤≤逻辑0MIN OLV V V≤≤不定区OL OHV V V≤≤2、直流电压传输特性VTC Voltage Transfer CharacteristicsVTC －直流下，将Vout 描述为Vin 的函数V IL V IH1OUTINdV dV =-1OUTINdV dV =-V M OUT INV V =五个关键的电压，完全决定了VTC 、噪声容限及过渡区的位置和宽度。

阈值电压V M －VTC 曲线中的点OUT IN V V =V OH ：当输出电平为逻辑“1”时的最小输出电压，转折点1OUTINdV dV =-V OL ：当输出电平为逻辑“0”时的最大输出电压V IL ：当输入电平为逻辑“0”时的最大输入电压V IH ：当输入电平为逻辑“1”时的最小输入电压在数字电路中，逻辑值不是由单一量化电压值决定，而是相应的电压区3、噪声容限定义噪声容限：数字电路中对噪声的容忍量。

电路的抗噪声干扰能力随噪声容限（NM）的增加而增加。

低电平信号的噪声容限NML：NM L＝V IL－V OL高电平信号的噪声容限NMH：NM H＝V OH－V IHNM L NM HNoise Margin噪声影响下的数字信号传播在噪声容限内前级反相器输出的逻辑1能够被后级反相器识别前级反相器输出的逻辑0能够被后级反相器识别设在无噪声条件下，输入电压和输出电压间的关系为()OUT IN V f V =如果输入信号由于噪声而偏离额定值，则输出电压也会偏离原先的额定值()'OUTOUTIN IN INdV Vf V V dV =+∆+ 高阶项（忽略）扰动后的电压＝额定电压＋增益x 外部干扰如果输出电压的增益的数量级小于1，则输入扰动不会被放大，因而造成的输出扰动较小；否则，输入端的小小干扰将会使输出电压有一很大的扰动。

第三周学习总结-CMOS反相器

CMOS反相器静态CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)反相器是目前最普遍的反相器，其电路图如图1所示，当V in为高并等于V DD时，NMOS管导通而PMOS管截止，此时在Vout 的接地节点之间存在直接通路，形成一个稳态值0V。

相反，当输入电压为低（0V）时，NMOS 关断而PMOS管导通，V DD和V out之间存在一条通路，产生一个高电平输出电压。

由此实现反相器的功能。

图1.静态CMOS反相器电路静态CMOS反相器具有以下许多特性：（1）输出高电平和低电平分别为V DD和GND，摆幅为电源电压，噪声容限大；（2）逻辑电平与器件的相对尺寸无关；（3）具有低的输出阻抗，使它对噪声和干扰不敏感；（4）输入阻抗极高，缘于MOS管的栅实际上是一个绝缘体；（5）稳态工作下的电源线和地线之间没有直接的通路，在忽略漏电流的情况下意味着该门不消耗任何静态功率。

反相器的电压传输特性(VTC)可以通过图解法迭加NMOS管和PMOS管的电流特性来得到，最终如图2所示。

图2.CMOS反相器的VTC门的输出电容C L事实上包括NMOS和PMOS管的漏扩散电容、连线电容以及扇出门的输入电容。

门的响应时间由通过管子的导通电阻Rp(或者Rn)充放电容CL所需要的时间决定，传播延迟正比于RC。

这意味着可以通过减少输出电容或者减小晶体管的导通电阻实现快速响应。

应当注意，NMOS和PMOS晶体管的导通电阻不是常数，而是晶体管的两端电压的非线性函数，确切决定传播延时较为复杂。

反相器稳定性的评估，静态特性：1.开关阈值V MV M定义为V in=V out的点，在这一区域V DS=V GS，PMOS和NMOS总是饱和，使通过两晶体管的电流相等，得到V M表达式如下（器件处于速度饱和状态即V DSAT<V M-V T且忽略沟长调制效应）：，得到当V DD较大时（大于阈值电压及饱和电压），上式简化为。

COMS反相器原理

当输入信号为0时;与之相连的N沟道MOS管截止;P沟道MOS管导通；反之则N沟道MOS管导通;P沟道MOS管截止
Y
VDD
B
图3-5-14 带缓冲级的与非门
A
上述电路虽然简单;但存在一些严重缺点： 1 输出电阻受输入端状态的影响； 2 当输入端数目增多时;输出低电平也随着相应提高;使低电平噪声容限降低
3 5 CMOS电路
3 5 1 CMOS反相器工作原理
3 5 2 CMOS反相器的主要特性
3 5 3 CMOS传输门
3 5 4 CMOS逻辑门电路
3 5 5 CMOS电路的锁定效应及正确使用方法
图351 CMOS反相器
D
G
S
S
G
D
vO
VDD
TL
T0
vI
3 5 1 CMOS反相器工作原理
CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成通常P沟道管作为负载管;N沟道管作为输入管
第一种形式：在反相器基础上增加一对P沟道T'P和N沟道T'N MOS管当控制端为1时;T'P和T'N同时截止;输出呈高阻态；当控制端为0时;T'P和T'N同时导通;反相器正常工作该电路为低电平有效的三态输出门
EN
图3516 三态输出CMOS门结构之二
A
Y
VDD
≥1
TN
TP
A
Y
&
TN
当输入vI为高电平时;负载管截止;输入管导通;负载电流IOL灌入输入管;如图356 所示灌入的电流就是N沟道管的iDS;输出特性曲线如图357 所示输出电阻的大小与vGSNvI有关;vI越大;输出电阻越小;反相器带负载能力越强