反相器

结构

反相器是数字电路中最基本的门电路之一，由 NMOS 和PMOS组成。在输入为 0 时输出 1，输入为 1 时输出 0。

电压传输特性

• AB 段：
  • 导通， 截止
• BC 段：
  • 导通
• CD 段：
  • 导通， 截止

如果 参数完全对称，则有 时，

反相器电流传输特性

VTC 曲线

VTC 的形状基本上与高于阈值的操作相同。VTC 陡峭部分的斜率取决于反向器的亚阈值摆幅。

其中涉及到的的四个重要参数：

• ：输入电压由低到高变化时，输出电压开始下降且传输特性曲线斜率为-1 的点，即图中 A 点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑 “1” 的最大输入电压）
• ：输入电压由高到低变化时，输出电压开始上升且传输特性曲线斜率为-1 的点，即图中 B 点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑 “0” 的最小输入电压）
• ：定义为最小合格高电平。（维持输出为逻辑“1”的最小输出电压）
• ：定义为最大合格低电平。（维持输出为逻辑“0”的最大输出电压）

CMOS 集成电路内部规定 ，。

反相器的噪声容限

噪声容限

可以加在最坏情况输出上，但是依然能使得接收端正确解释为有效输入的噪声值为噪声容限。

输入为高电平的噪声容限：

输入为低电平的噪声容限：

提高噪声容限的方法

CMOS 器件可以通过提高 来提高噪声容限，但是 的提高也会使得功耗的增加。

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反相器的亚稳态

当反相器输入电压 接近于 0.5 ，CMOS 反相器的阈值电压也接近于 0.5 ，这样输出不确定会是高电平还是低电平，输出呈亚稳态 ！

对于下面如下首尾相连的反向器结构：
图中的 SNM 即为静态噪声容限，方框面积越大，表示容限越大。
并且此电路只能工作在三种状态，分别是三个交点，当状态不在这三种状态时，输入、输出会将他们拉向两端。

反相器的静态输入/输出特性

输入特性

输出特性

反相器的动态特性

反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即动态功耗。 其包括：负载电容充放电所消耗的功率 和 PMOS、NMOS 同时导通所消耗的瞬时导通功耗 。在工作频率较高的情况下，CMOS 反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可以忽略不计。

• 导通功耗
  • 其中
• 负载电容充放电功耗
• 总功耗为

扇入和扇出

对于一定扇出数的电路，电路的工作频率随之确定，一般工作频率越高，扇出数越小。在低频（< 1MHz）的工作条件下，CMOS 电路的扇出数可以达到 50 以上。

因此，扇入越大越好，扇出越大越坏。在设计中，尽量减小扇出。

附录

笔记来源

数字电路基础知识——反相器的相关知识（噪声容限、VTC、转换时间、速度的影响因素、传播延时等）_摆渡沧桑的博客-CSDN博客_反相器的噪声容限