cmos反相器
cmos反相器信号再生
CMOS反相器信号再生概述CMOS反相器信号再生是一种利用CMOS反相器来恢复信号完整性的技术。
CMOS反相器是一种基本的数字电路，它由两个互补的金属氧化物半导体（CMOS）晶体管组成。
当输入信号为高电平时，上拉晶体管导通，下拉晶体管截止，输出信号为低电平。
当输入信号为低电平时，上拉晶体管截止，下拉晶体管导通，输出信号为高电平。
原理CMOS反相器信号再生的原理是利用CMOS反相器的非线性特性。
当输入信号的幅度低于CMOS反相器的阈值电压时，CMOS反相器不导通，输出信号为零。
当输入信号的幅度高于CMOS反相器的阈值电压时，CMOS反相器导通，输出信号为电源电压。
这种非线性特性可以用来恢复信号的完整性。
应用CMOS反相器信号再生技术广泛应用于数字电路中，例如：时钟信号再生：CMOS反相器可以用来再生时钟信号。
时钟信号是数字电路中非常重要的信号，它用于同步电路的运行。
由于时钟信号在传输过程中可能会受到噪声和干扰的影响，导致信号失真。
CMOS反相器可以用来恢复时钟信号的完整性，确保电路的正常运行。
数据信号再生：CMOS反相器可以用来再生数据信号。
数据信号是数字电路中传输信息的信号。
由于数据信号在传输过程中可能会受到噪声和干扰的影响，导致信号失真。
CMOS反相器可以用来恢复数据信号的完整性，确保信息的正确传输。
模拟信号再生：CMOS反相器可以用来再生模拟信号。
模拟信号是连续变化的信号，它可以表示各种物理量。
由于模拟信号在传输过程中可能会受到噪声和干扰的影响，导致信号失真。
CMOS反相器可以用来恢复模拟信号的完整性，确保信息的正确传输。
优点CMOS反相器信号再生技术具有以下优点：简单：CMOS反相器信号再生电路非常简单，只需要几个晶体管就可以实现。
低功耗：CMOS反相器信号再生电路的功耗非常低，非常适合于电池供电的设备。
高速度：CMOS反相器信号再生电路的速度非常快，可以用于高速数字电路。
抗噪声能力强：CMOS反相器信号再生电路具有很强的抗噪声能力，可以有效地抑制噪声和干扰的影响。
cmos反相器工作原理
cmos反相器工作原理CMOS反相器是一种常用的数字逻辑门电路，由一对互补MOSFET（MOS 场效应晶体管）组成。
它的核心组成部件是P型MOS和N型MOS管，具体工作原理如下：1.P型MOS管（PMOS）：PMOS管是一种具有P型沟道的器件。
它的沟道是由N型衬底掺入的P型材料构成的。
当PMOS上的栅极电压低于临界值时，沟道形成，并且电流可以流过沟道。
当PMOS上的栅极电压高于临界值时，沟道被截断，电流无法流过。
2.N型MOS管（NMOS）：NMOS管是一种具有N型沟道的器件。
它的沟道是由P型衬底掺入的N型材料构成的。
当NMOS上的栅极电压高于临界值时，沟道形成，并且电流可以流过沟道。
当NMOS上的栅极电压低于临界值时，沟道被截断，电流无法流过。
在CMOS反相器中，一个PMOS管和一个NMOS管被连接在一起，形成一个互补对。
它们的栅极由同一个输入控制，且互补对电源共享。
工作原理如下：1.输入为高电平时：当输入为高电平（逻辑1）时，输入端的电压被传递到NMOS管的栅极。
其结果是NMOS管导通，沟道形成。
同时，输入端的高电平也被送到PMOS管的栅极，但由于PMOS管的特性，栅极电压为高电平时导致PMOS管截断，沟道断开。
因此，在输入为高电平时，NMOS导通，PMOS截断，输出为低电平（逻辑0）。
2.输入为低电平时：当输入为低电平（逻辑0）时，NMOS的栅极电压为低电平，导致NMOS截断，沟道断开。
与此同时，输入低电平也传递到PMOS的栅极。
由于PMOS的特性，低电平导致PMOS导通，沟道形成。
因此，在输入为低电平时，NMOS截断，PMOS导通，输出为高电平（逻辑1）。
通过这种方式，输入的逻辑电平被反转，从而实现了反相器的功能。
CMOS反相器的优点之一是功耗较低。
因为在输入为逻辑1时只有一个NMOS导通，输入为逻辑0时只有一个PMOS导通，其他管子都是截断的，消耗的功率非常小。
此外，CMOS反相器还具有高噪声抑制能力和较高的输入阻抗。
COMS反相器原理
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
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。
反相器
PMOS sat
1.5
NMOS res
1
PMOS sat
NMOS res
PMOS off
0.5
0.5
1
1.5
2
2.5
V in
图5.5 由图5.4(VDD=2.5V)推导出的CMOS反相器的VTC
CMOS反相器. 10
2021年4月8日10时59分
CMOS 反相器：动态特性的开关模型
门的响应时间是由通过电阻Rp充电电容CL(电阻Rn放电 电容CL)所需要的时间决定的
IDp
IDn
VDSp
Vin = 0 Vin = 1.5
VDSp
IDn
Vin = 0 Vin = 1.5
VGSp = -1 VGSp = -2.5
对X轴求镜面
Vin = VDD + VGSp IDn = -IDp
Vout
平移 VDD Vout = VDD + VDSp
图5.3 将PMOS I-V特性转换至公共坐标系(假设VDD=2.5V)
Vin = 0.5 Vin = 0
Vout
图5.4 静态CMOS反相器中NMOS和PMOS管的负载曲线(VDD=2.5V)
CMOS反相器. 9
2021年4月8日10时59分
CMOS 反相器的 VTC
NMOS off PMOS res Vout
2.5
NMOS sat PMOS res
2
NMOS sat
VDD
VDD
Rp
Vout
CL
Rn
Vout CL
Vin = 0
Vin = V DD
CMOS反相器. 11
图5.6 静态CMOS反相器动态特性的开关模型
第10讲 CMOS反相器
实验结果
高偏斜 无偏斜 低偏斜
反相器的PN比
PN比：一个设计中， 反相器的P管“宽长比”与N管“宽长比” 之比，即（WP/LP)/(WN/LN)。PN比与工艺相关,一般在1.5-3. ”最佳PN比”可采用以下方式两种方式之一确定 （1）根据静态特性：使反相器的转换点电压为1/2VDD。 （2）根据动态特性：使反相器的tplh和tphl相等。 两种方法本应一致，但实际略有区别。 典型情况LN=LP=L(min)，PN比等价于P管和N管的宽度比。
第10讲 CMOS反相器
电路结构和逻辑功能
反相器是CMOS数字电路性能设计的基准。其它 逻辑门的性能要按等价为反相器时的性能来考虑.
直流特性
1.传输特性曲线 输出电压随输入电压变化的曲线
直流参数VIH和VIL的物理意义
VIH 最小可靠输入高电平电压.完整的名称应为VIH(min). VIL 最大可靠输入低电平电压.完整的名称应为VIl(max).
管宽度较大,会导致面积和功耗增加. 实际设计中,普通反相器的PN比小于“最佳PN比”, 一般约等于最佳PN比的平方根. 驱动时钟信号的反相器的PN比按保证上升、下降 延迟相等的“最佳PN比”设计.
反相器的动态电流
输出电平 变化时才 有电流。
注意：测 功耗要看 电源的电 流，不是 输入信号 源电流。
反相器的动态功耗
充电平均电流 平均功耗
I avg
Qc VDD Ctot T T
2 Ctot VDD 2 Ctot VDD f clk T
Pavg VDD I avg
数字电路功耗的一般表达式
2 Pd k VDD f CL
由于一个复杂数字电路中只有一部分逻辑门在 时钟作用下发生状态变化，因此用平均开关行 为因子k修正。 数字电路的功耗与电源电压平方成正比，与频 率和负载电容成正比,减少k或CL是低功耗设计 手段。
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0.5
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vin (V)
三CMOS反相器的性能：动态特性
图7
影响一对串联反相器动态特性的寄生电容
四 功耗，能量和能量延时
• 动态功耗 • 静态功耗
• 由冲放电电容引起的动态功耗
图8 由低至高翻转期间的等效电路
翻转期间从电源中取得的能量值EVDD如下所示：
翻转结束时在电容上存储的能量EC如下所示：
静态CMOS反相器的中点增益
求导并求解dVout/dVin得到：
忽略某些二次项并令Vin=VM,得到下面增益表达式：
• 稳定性
器件参数变化
2.5
2
器 件 参 数 变 化 对 静 态 CMOS 好的PMOS 坏的 NMOS
1.5
Vout(V)
Nominal
1
好的NMOS 坏的 PMOS
反 相 器 VCT 的 影 响 图6
计算平均功耗为：
（a）大电容负载
（b）小电容负载
图11 负载电容对短路电流的影 响
图12 CMOS反相器通过NMOS晶体管的短路电 流与负载电容的关系（输入斜率固定为500ps）
• 静态功耗
图13 CMOS反相器中泄漏电流的来源（Vin=0V）
图14 VGS＝0时降低阈值会使亚阈值电流增加
小结
• 静态CMOS反相器把一个上拉的PMOS器件和一个下拉的 NMOS器件组合在一起。 • 该门具有几乎理想的电压传输特性。 • 它的传输延时主要由充放电负载电容CL所需要的时间决定。 使负载电容保持较小是实现高性能电路的最有效手段。 • 功耗主要是由在充电和放电负载电容时消耗的动态功耗决 定的。 • 是工艺尺寸变小是减小一个门的面积，传播延时以及功耗 的有效手段。 • 互连线的影响将在总延时和总性能中逐渐占有更大的比例。
在由低至高翻转期间CL被充以电荷CLVDD。提供这些电荷需要从 2 2 电源得到等于CLVDD 的能量。存放在电容中的能量等于CLVDD /2.
图9
在Cl充放电期间的输出电压和电源电流
• 直流通路电流引起的功耗
图10
过渡期间的短路电流
输入信号不为无穷大的斜率造成了开关过程中的VDD和GND之间在短 期内出现一条直流通路，此时NMOS和PMOS管同时导通。 在假设所形成的电流脉冲可近似成三角形及反相器的上升和下降响应是 对称的条件下，可以计算每个开关周期消耗的能量如下：
图3
静态CMOS反相器中NMOS和 PMOS管的负载曲线（Vdd=2.5V）
二CMOS反相器稳定性的评估—— 静态特性
• 开关阈值
开关阈值Vm定义为Vin=Vout的点，其值由VTC与直线Vin=Vout的交 点求得，见图4。
Vout
NMOS off PMOS res NMOS s at PMOS res NMOS sat PMOS sat NMOS res PMOS sat
(b) CMOS反相器开关模型
ID n Vin = 0 Vin = 2.5
PMOS
Vin = 0.5
Vin = 2
NMOS
Vin = 1 Vin = 1.5 Vin = 1.5 Vin = 2 Vin = 2.5
Vin = 1.5 Vin = 1 Vin = 1 Vin = 0.5 Vin = 0 Vout
1
1.5
2
2.5
NMOS res PMOS off 2.5 Vin
0.5
0.5
图4
1
1.5
2
由图3推导出的CMOS反相器的VTC
• 噪声容限
Vout V OH
VIH和VIL是dVout/dVin=-1时反相器的工作点
VM
V in V OL V IL V IH
图5 对VTC进行逐段线形近似简化了Vil和Vih的推导
静态CMOS反相器
主要内容
• • • • 直观综述 静态特性 动态特性 功耗，能量和能量延时
一 静态CMOS反相器——直观综述
V DD
V in
V out CL
图1
静态CMOS反相器，VDD代表电源电压
V DDV DDΒιβλιοθήκη RpV out Rn
V out
V in ＝ V DD
(a) 图2
V in ＝ 0