第5讲 反相器
《L反相器原理》PPT课件
两个重要参数：
(1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。
iI =－(VCC－UBE1)/R1 =－(5－0.7)/4 ≈－ 1.1mA
(2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电 结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电 流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以
iI = IIH =β反 iB2
IIH很小，约为10μA左右。
2021/5/27
2. 输入负载特性
TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随
RI 的变化而变化的关系曲线。
2021/5/27
图2-12 输入负载特性曲线 〔a〕测试电路 〔b〕输入负载特性曲线
虚框内为TTL反相器的部分内部电路
UOFF UON 在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最 小输入高电平的数值，称为开门电平UON。 在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大 输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。
2021/5/27
(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为 阈值电压UTH〔又称门槛电平〕。通常UTH≈1.4V。 (6) 噪声容限〔 UNL和UNH 〕 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多 大的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通
而另一管截止。 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。
2021/5/27
TTL反相器的电压传输特性及参数
电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关
系曲线。
1. 曲线分析
VT4截止，称关门
反相器的工作原理
反相器的工作原理反相器是一种常见的电子电路元件，其工作原理主要是利用输入信号的反相输出。
在实际电路中，反相器通常由晶体管或运算放大器构成。
在这篇文档中，我将详细介绍反相器的工作原理，以及其在电子电路中的应用。
首先，让我们来看一下反相器的基本结构。
一个简单的反相器电路由一个输入端和一个输出端组成。
输入信号通过输入端输入，经过反相器内部的放大和反相处理后，从输出端输出。
在理想情况下，输出信号与输入信号完全反向，即输入信号增大时，输出信号减小，反之亦然。
那么，反相器是如何实现这一工作原理的呢？这涉及到反相器内部的放大器和反相电路。
在晶体管反相器中，晶体管的放大特性决定了输入信号的放大倍数，而晶体管的工作状态决定了输出信号的相位。
在运算放大器反相器中，运算放大器的反相输入端和非反相输入端的连接方式决定了输出信号的相位。
无论是晶体管反相器还是运算放大器反相器，其工作原理都是基于电子元件的放大和相位反转特性。
通过合理设计电路结构和选择合适的元件参数，可以实现输入信号的反向输出，从而实现反相器的功能。
在实际应用中，反相器有着广泛的用途。
比如在放大器电路中，反相器可以用于信号放大和相位反转；在振荡器电路中，反相器可以用于频率稳定和波形调整；在滤波器电路中，反相器可以用于频率选择和信号处理。
可以说，反相器是电子电路中不可或缺的重要元件之一。
总的来说，反相器的工作原理是基于电子元件的放大和相位反转特性。
通过合理设计电路结构和选择合适的元件参数，可以实现输入信号的反向输出，从而实现反相器的功能。
在实际应用中，反相器有着广泛的用途，可以用于信号放大、相位反转、频率稳定、波形调整、频率选择和信号处理等方面。
希望本文对你理解反相器的工作原理有所帮助。
反相器电路
•
(3)CD段：Ui进一步增大且满足 UO+|UTHP|≤Ui≤UO+UTHN 时，两管的栅去和漏区都处于预夹断状态，NMOS和PMOS管同时恒流导通，输出 电阻很大，此时反相器相当于一个有源负载电路很大的反响放大器，增益极 大，随着Ui增大，UO急剧下降传输特性的斜率很大，接近与垂直线(反相器的 阀值电压UiT)此时的N管和P管电流相等根据电流方程
反相器电路
反相器的直流特性
CMOS与MOSFET
• CMOS反相器相当与非 门，是数字集成电路 最基本的单元电路， 了解CMOS反相器先从 ,MOS场效应管 (MOSFET)说起 • 常用的MOS管符号如 下图所示
NMOS管简介
• 如右图，该器件制作在P型 衬底上，两个重掺杂N区 形成源区和漏区，重掺杂 多晶硅区作为栅极，一层 薄SiO2绝缘层作为栅极和 衬底的隔离。 • NMOS管的有效作用就发 生在栅氧下的衬底表面— —导电沟道上。
随着Ui由大变小， 反向器的工作状态 可分为5个阶段，如 左图
• (1)AB段：0<Ui<UTHN，IDN=0,N管截止P管非恒流导通有 • UO=UH=UDD
• (2)BC段：UTHN<Ui<UO+|UTHP| • 即N管饱和导通，P管非饱和导通其输出电阻很小，反相器 相当于一个增益很小的放大器，随着Ui增大UO但减小很慢 中间某一点的增益为-1.
CMOS反相器
• 下图给出了一些反相 器电路
• (a)为电阻负载反相器，集成电路中一般不被采用； • (b)为增强型NMOS做负载的反相器，（称之为E/E电路），为使负载管 导通，其栅极接UDD,V2管相当于共栅组态，等效负载电阻很小，增益 很小，而且为保证沟道与衬底隔离衬底要接到全电路的最低点，因此 V2管存在背栅效应，此电路当Ui=0时,V1管截止，输出高电平,电路当 Ui=1时,V1管导通，输出低电平； • (c)所示电路用耗尽型NMOS做负载管，（称之为E/D电路）其栅源极之 间短路，UGS2=0等效负载为rds2,阻值较大，增益较大，而且V2也存 在背栅效应； • (d)所示电路为CMOS反相器，P管衬底接UDD，N管衬底接地，栅极与各 自的源级相连，消除了背栅效应，而且P管N管轮流导通截止，输出的 不是0就是UDD.
《反相器工作原》课件
提高传输速度
优化电路设计
通过改进电路结构，降低信号传输过程中的延迟，从 而提高传输速度。
选择高速器件
选用具有低寄生参数和低电容的器件，以减小信号传 输过程中的延迟。
降低电源电压
适当降低电源电压可以减小电路中的电流，从而减小 信号传输过程中的能量损失，提高传输速度。
减小功耗
01
02
03
降低工作电压
03 反相器的应用
在数字电路中的应用
逻辑门
反相器是最基本的逻辑门之一，用于实现逻辑非运算。在数字电路 中，反相器常与其他逻辑门一起使用，实现更复杂的逻辑功能。
时序逻辑电路
反相器在时序逻辑电路中也有广泛应用，如触发器、寄存器等。它 们在时钟信号的控制下，实现数据的存储和传输。
编码器和译码器
在数字系统中，编码器和译码器是常见的组合逻辑电路，反相器在它 们的实现中扮演着重要角色。
优化电路布局
合理安排电路元件的布局，减小信号传输过程中 的电磁干扰，提高噪声容限。
采用差分信号传输
差分信号传输可以有效抑制共模噪声，提高反相 器的噪声容限。
06 反相器的挑战与展望
反相器的挑战与展望
• 反相器是一种电子器件，其作用是实现信号的反相。当输入信号通过反相器时，输出信号的相位与输入信号的相位相差180 度。反相器广泛应用于数字电路和模拟电路中，是构成各种逻辑门、运算放大器等电路的基础元件之一。
反相器工作原理
目录
• 反相器概述 • 反相器的基本原理 • 反相器的应用 • 反相器的实现方式 • 反相器的性能优化 • 反相器的挑战与展望
01 反相器概述
定义与特点
定义
反相器是一种电子器件，其输出信号 与输入信号的相位相反。
2.1-反相器(1学时)PPT课件
• 输出高电平和低电平分别为VDD和GND。换言之， 电压摆幅等于电源电压。因此噪声容限很大。
• 逻辑电平与器件的相对尺寸无关，所以晶体管可以 采用最小尺寸。具有这一特点的门称为无比逻辑。
它不同于有比逻辑，在有比逻辑中逻辑电平是由组 成逻辑的晶体管的相对尺寸来决定的。
• 稳态时在输出和VDD或GND之间总存在一条具有有 限电阻的通路。因此一个设计良好的CMOS反相器 具有低输出阻抗，这使它对噪声和干扰不敏感。
GND
7
一级近似直流分析
VDD
VDD
Rp
Vout
Vout
Rn
Vin = VDD
Vin = 0
在Vout和接地节点之
在VDD和Vout之间存
间存在一个直接通路
在一条通路，产生了
，形成一个稳态值0V2021/3/12 一个高电平输出电压
VOL = 0 VOH = VDD VM = f(Rn, Rp)
8
C urrent
亚阈值电流
亚阈值电流是低功耗电路设 S u b -计T h中r e s最h o重ld 要C u的rre考n t虑D o之m 一in a。n t F a c to r
t /t
sin sout
电流在界定的范围内
。
降低电源电压时短路
电流的影响减小。
2021/3/12
17
静态电流
V in = 5V
Vdd
I s ta t Vout
CL
P s ta t = P (In = 1 ).V d d . Is ta t
• D o m in a t轨e s在线o没v之e有r间d开y流n关a动m活的ic 动电c o存流n s在u。m时p 在t io电n 源两条
什么是反相器它在电路中的作用是什么
什么是反相器它在电路中的作用是什么反相器是一种在电路中常见的器件，它具有特殊的功能和作用。
本文将对反相器的定义以及其在电路中的作用进行详细解析，旨在帮助读者更好地理解和应用反相器。
一、反相器的定义反相器，顾名思义，就是可以对输入信号进行反相处理的电路。
它由一个放大器和一个反馈电阻组成，主要作用是将输入信号的相位进行180度的翻转。
在电路中，反相器可以通过不同的组合电路实现，如晶体管放大电路、运算放大器电路等。
二、反相器的工作原理反相器的工作原理可以通过以下步骤来理解：首先，输入信号进入反相器的输入端；然后，经过放大器的放大作用，信号被放大；接着，反馈电阻将一部分放大后的信号反馈回输入端；最后，反馈信号与输入信号进行相位翻转，输出信号呈现出与输入信号相反的相位。
三、反相器在电路中的作用1. 相位翻转：反相器的最主要作用是实现输入信号的相位翻转。
在某些电路设计中，需要将输入信号的相位反转，以满足特定的电路要求。
反相器通过将输入信号的相位翻转180度，实现了对信号相位的控制。
2. 波形放大：除了相位翻转外，反相器还具有波形放大的作用。
经过反相器放大后的输出信号的幅度将比输入信号的幅度更大。
这对于一些需要波形增益的电路来说非常有用，如音频放大器、功率放大器等。
3. 信号反向控制：当输入信号经过反相器后，输出信号与输入信号的相位相反。
这意味着当输入信号的幅度为高电平时，输出信号的幅度为低电平，反之亦然。
这种特性使得反相器在数字电路中具有控制信号反向的能力，广泛应用于逻辑门电路、时序电路等。
4. 滤波器设计：反相器在滤波器设计中也发挥了重要的作用。
通过合理选择反馈电阻和外接电容等元件，可以构建出不同特性的滤波器电路，用于对输入信号进行滤波和频率选择。
综上所述，反相器是一种常见的电路器件，主要用于对输入信号的相位进行翻转。
它在电路中有着广泛的应用，包括相位翻转、波形放大、信号反向控制和滤波器设计等方面。
通过合理应用反相器，可以实现电路的多种功能和特性，从而满足不同的设计需求。
第5章MOS反相器讲解
填空题解答题请给出NMOS晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情1、况下是提高阈值还是降低阈值）。
【答案：】2、什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响【答案：】器件的亚阈值特性是指在分析MOSFET时，当Vgs<Vth时MOS器件仍然有一个弱的反型层存在，漏源电流Id并非是无限小，而是与Vgs呈现指数关系，这种效应称作亚阈值效应。
影响：亚阈值导电会导致较大的功率损耗，在大型电路中，如内存中，其信息能量损耗可能使存储信息改变，使电路不能正常工作。
3、M OS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响【答案：】短沟道效应是指：当MOS晶体管的沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时，发生短沟道效应，栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制，其中有一部分受源、漏控制，产生耗尽区电荷共享，并且随着沟道长度的减小，受栅控制的耗尽区电荷不断减少的现象影响：由于受栅控制的耗尽区电荷不断减少，只需要较少的栅电荷就可以达到反型，使阈值电压降低；沟道变短使得器件很容易发生载流子速度饱和效应。
4、请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响【答案：】对于PMOS晶体管，通常情况下衬底和源极都接最高电位，衬底偏压，此时不存在衬偏效应。
而当PMOS中因各种应用使得源端电位达不到最高电位时，衬底偏压>0，源与衬底的PN结反偏，耗尽层电荷增加，要维持原来的导电水平，必须使阈值电压（绝对值）提高，即产生衬偏效应。
影响：使得PMOS阈值电压向负方向变大，在同样的栅源电压和漏源电压下其漏源电流减小。
5、什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响【答案：】MOS晶体管存在速度饱和效应。
器件工作时，当漏源电压增大时，实际的反型层沟道长度逐渐减小，即沟道长度是漏源电压的函数，这一效应称为“沟道长度调制效应”。
影响：当漏源电压增加时，速度饱和点在从漏端向源端移动，使得漏源电流随漏源电压增加而增加，即饱和区D和S之间电流源非理想。
5反相器-PPT文档资料
PMOS
Vin = 0.5
Vin = 2
NMOS
Vin = 1
Vin = 1.5 Vin = 2 Vin = 2.5 Vin = 1.5
Vin = 1.5
Vin = 1 Vin = 1
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. 5
*
回顾：短沟道 I-V图 (NMOS)
2.5 2
X 10-4
Early Velocity Saturation
VGS = 2.5V
ID (A)
1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5
Linear
Saturation
VGS = 1.5V
VGS = 1.0V
2
2.5
VDS (V)
数字集成电路设计
2019
第5章 CMOS反相器
许晓琳 (xu.xiaolin163) 合肥工业大学电子科学与应用物理学院
本章重点
• • 反相器完整性、性能和能量指标的定量分析 反相器设计的优化
CMOS反相器. 2
*
5.1 引言
• • • • 成本：用复杂性和面积来表示 完整性和稳定性：用静态(即稳态)特性来表示 性能：由动态(即瞬态)响应决定 能量效率：由能耗和功耗决定
0 -0.2 ID(A)
VGS = -1.0V
VGS = -1.5V VGS = -2.0V
-0.4
-0.6
-0.8 V = -2.5V GS -1 -2.5
-2
-1.5 -1 VDS(V)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.5 1 1.5 2 2.5 Vin
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
内容提要
直观综述 电压传输特性（VTC） 可靠性：静态特性 性能：动态特性 功耗和能耗－延时积 按比例缩小技术以及对反相器的影响
© Digital Integrated Circuits2nd
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
内容提要
直观综述 电压传输特性（VTC） 可靠性：静态特性 性能：动态特性 功耗和能耗－延时积 按比例缩小技术以及对反相器的影响
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
注意：MOS管的导通电阻不是一个常数值。
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
内容提要
直观综述 电压传输特性（VTC） 可靠性：静态特性 性能：动态特性 功耗和能耗－延时积 按比例缩小技术以及对反相器的影响
© Digital Integrated Circuits2nd
数字集成电路
第五讲 反相器
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
5.1 简介
反相器是所有数字设计的核心
▪ 一旦清楚了反相器的工作原理和性质，设计 其它逻辑门和复杂逻辑（加法器、乘法器和 微处理器等）就大大简化了。
© Digital Integrated Circuits2nd
VIL Noise margin low
Gate Input
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
噪声容限 VIH and VIL
Vout
VOH
VM
Vin
VOL
VHale Waihona Puke LVIHA simplified approach
© Digital Integrated Circuits2nd
“1” VOH VIH Undefined Region VIL
“0” VOL
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
噪声容限的定义
"1" VOH
NM H
VOL
NM L
"0" Gate Output
Noise margin high
VIH Undefined Region
在VDD和VSS之间没有直接通路＝>无静态功耗；
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
CMOS Inverter: Transient Response
V DD Rp
V out CL
V DD Rn
tpHL = f(Ron.CL) = 0.69 RonCL
0.25μm CMOS反相器的开关阈值
(W / L) p (W / L)n
115106 A /V 2 30106 A /V 2
0.63V 1.0V
1.25 0.43 0.63/ 2 1.25 0.4 1.0 / 2
3.5
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
V (V)
M
1.3
In
Out
NMOS
© Digital Integrated Circuits2nd
N Well PMOS
In
Polysilicon
VDD 2l
Contacts
Out
Metal 1
NMOS
GND
Inverter
Two Inverters
Share power and ground Abut cells
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vin (V)
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
稳定性－降低电源电压
2.5
0.2
2
0.15
Vout(V) Vout (V)
1.5 0.1
1
0.05
0.5
Gain=-1
0
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
V (V)
in
0
0.05
0.1
0.15
关键参数是沟道长
度调制参数λ;
© Digital Integrated Circuits2nd
VDD和器件尺寸影 响很小;
Inverter
Inverter Gain
gain
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
0
0.5
1
1.5
2
2.5
V (V)
in
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
5.3.1 开关阈值
Vin＝Vout
Vin＝VM时，两个晶体管均处于饱 和状态，所以可以使用 In(Vin＝VM)＝Ip(Vin＝VM) 来求解
晶体管饱和电流公式（3.38):
I DSAT
vsatCoxW (VGS
VT
VDSAT 2
)
unVDSAT L
CoxW (VGS
VDSp
Vout
IDn Vin=0 Vin=1.5
Vout
Vout = VDD+VDSp
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
CMOS Inverter Load Characteristics
IDn Vin = 0
Vin = 2.5
PMOS
Vin = 0.5
Inverter
CMOS Inverter VTC
0.5 1 1.5 2 2.5
Vout NMOS off PMOS res
NMOS s at PMOS res
NMOS sat PMOS sat
过渡区非常窄， 因为在开关过渡 期间，具有高增 益。
NMOS res PMOS sat
NMOS res PMOS off
Vin = 2
NMOS
Vin = 1.5
Vin = 2 Vin = 2.5
Vin = 1 Vin = 1.5
Vin = 1.5 Vin = 1
Vin = 1
Vin = 0.5 Vin = 0
所有的工作点不是高电平输出， Vout 就是低电平输出。
© Digital Integrated Circuits2nd
5.4 动态特性
说明 这里的计算结果只是一个近似值，大约
有20～30％的偏差。更为精确的结果， 可以使用SPICE仿真得到。 我们希望获得不同参数（尺寸，电阻， 电容等）对设计性能影响的定性分析方 法。
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
HSPICE和手工计算的对比
降低VDD的问题
不加区分的降低电源电压虽然对减少能耗有好 处，但它会使门的延时加大；
一旦电源电压和阈值电压变得可以比拟，直流 特性对器件参数的变化就变得越来越敏感；
降低电源电压意味着减小信号摆幅。虽然通常 可以帮助减少系统的内部噪声（如由串扰引起 的噪声），但它也使设计对并不减少的外部噪 声源更加敏感。
VDD
© Digital Integrated Circuits2nd
Connect in Metal
Inverter
CMOS Inverter First-Order DC Analysis
VDD
VDD
VDD
PMOS
In
Out
NMOS
Rp
VOL = 0
Vout
Vout
VOH = VDD VM = f(Rn, Rp)
Rn
Vin = VDD
© Digital Integrated Circuits2nd
Vin = 0
Inverter
基本稳态特性
Vsw＝VDD ＝> 高噪声容限； 无比逻辑：Vout与晶体管的尺寸无关，所以可以
采用最小尺寸；
只有一个晶体管导通＝>低输出电阻=>对噪声和 干扰不敏感；
输入是晶体管的栅极＝>非常高的输入电阻＝> 无穷大的扇出（大扇出会增加延迟）；
© Digital Integrated Circuits2nd
反相器的 标准响应
改变阈值 后的反相 器的响应
Inverter
5.3.2 噪声容限
电路工作时，由于存在干扰信号，使输入电平 偏离理想电平，影响输出电平；
用噪声容限反映电路的抗干扰能力。噪声容限 反映电路能承受的实际输入电平与理想逻辑电 平的偏离范围。
V out CL
V in = 0 (a) Low-to-high
© Digital Integrated Circuits2nd
V in = V DD (b) High-to-low
Inverter
基本的动态特性
负载电容是输出节点所有电容之和； 传输时间由通过电阻对电容的充放电决定—
—高速门需要小的输出电容和导通电阻； 晶体管的尺寸（W/L）影响门的动态行为；
© Digital Integrated Circuits2nd