《反相器工作原》ppt课件

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1、3.5CMOS电路3.5.1CMOS反相器工作原理3.5.2CMOS反相器的主要特性3.5.3CMOS传输门3.5.4CMOS逻辑门电路3.5.5CMOS电路的锁定效应及　　　正确使用方法图3-5-1CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.1CMOS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。两个MOS管的开启电压VGS(th)P<0，VGS(th)N>0，通常为了保证正常工作，要求VDD>

2、VGS(th)P

3、+VGS(th)N。若输入vI为低电平(如

4、0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。图3-5-2CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣⅤ3.5.2CMOS反相器的主要特性１．电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。工作区Ⅰ：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳

5、定的开态。工作区输入电压vI范围PMOS管NMOS管输出Ⅰ0≤vI＜VGS(th)N非饱和截止vO＝VDDⅡVGS(th)N≤vI＜vO+VGS(th)P非饱和饱和ⅢvO+VGS(th)P≤vI＜vO+VGS(th)N饱和饱和ⅣvO+VGS(th)N≤vI＜VDD+VGS(th)P饱和非饱和ⅤVDD+VGS(th)P≤vI≤VDD截止非饱和vO≈0表3-5-1CMOS电路MOS管的工作状态表图3-5-3CMOS反相器电流传输特性vIOVDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣⅤVthCMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负载

6、管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。CMOS反相器具有如下特点：(1)静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。(2)抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3)电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3～+18V。(4)输入阻抗高，带负载能力强。图3-5-4

7、CMOS输入保护电路vOVDDTPTNvIC1D2N－D1···D1′C2P－P＋P＋N＋R●２．输入特性和输出特性(1)输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。图3-5-5CMOS反相器输入特性vIOVDDiI－1V考虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图3-5-5所示。vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL图3-5-6输出低电平等效电路图3-5-7输出低电平时输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2)输

8、出特性a.低电平输出特性当输入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3-5-6所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图3-5-7所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3-5-8输出高电平等效电路图3-5-9输出高电平时输出特性vSDPOIOH(iSDP)vGSPVDDb.高电平输出特性当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图3-5-8所示。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流IOH即为iSD

9、P，输出特性曲线如图3-5-9所示。由曲线可见，

10、vGSP

11、越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负载能力就越强。３．电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第Ⅲ工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。TP图3-5-10CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTG

12、CvO/vIvI/vOCTN3.5.3CMOS传输门