第 5 章 CMOS 反相器 笔记

1. 反相器设计指标

反相器是数字设计的核心。从反相器中得到的结果可以倒推出其他复杂电路的电气特性。

在对 CMOS 反相器进行设计的时候，我们关注以下的设计指标，

• 成本：即复杂性和面积，通常体现为晶体管的数量；
• 完整性和稳定性：用静态特性来表示；
• 性能：用动态特性来表示；
• 能量效率：能耗和功耗决定。（能耗大概指静态电压消耗，功耗则是工作电压消耗）

2. 静态 CMOS 反相器——直观综述

2.1. CMOS 反相器的电路结构以及特性

在这里，我们将用 MOS 的简单开关模型来对电路进行理解。简单开关模型意味着，MOS 管导通的时候具有有限导通电阻，关断的时候具有无限关断电阻。

当输入信号 时，NMOS 导通 PMOS 关断，；当输入信号 ，PMOS 导通 NMOS 关断，。可以看出来，此时的电路执行了反相器的功能。

静态 CMOS 特性

这里可以看出静态 CMOS 的重要特性，

• 电压摆幅等于电源电压，噪声容限很大。
• 为无比逻辑，逻辑电平与器件的相对尺寸无关。
• 较低的输出阻抗，使得其对噪声以及干扰不敏感，具有较大的输出电流和无穷大的扇出。
• 较高的输入阻抗，稳态输入电流几乎为 0。
• 无任何静态功率。在稳态工作情况下，电源和地之间没有直接的通路。

指向原始笔记的链接

2.2. 从负载曲线图到电压传输特性 VTC

负载曲线图是通过在一组公共坐标上，叠加 NMOS 和 PMOS 的电流特性来得到的。

以 、 以及 （NMOS 漏电流）为变量，可以叠加出以下图形，

dc 工作点必须处在两条相应的负载线的交点上，即在同一输入电压下，具有同一漏电流的点。可以看到，所有的工作点不是在高输出电平就是在低输出电平上。因此反相器的 VTC 显示出具有非常窄的过渡区。

2.3. 瞬态特性的定性分析

瞬态特性主要由门的输出电容 决定，其包括 NMOS 和 PMOS 的漏扩散电容、连线电容和扇出门的输入电容。

如果仍然用简单开关模型来分析，其电路的传播延时正比于 （输入低到高）。

3. CMOS 反相器稳定性的评估——静态特性