【數(shù)字電路】反相器基礎(chǔ)知識(shí)圖文-KIA MOS管

反相器是數(shù)字電路中最基本的門電路之一，由NMOS和PMOS組成。

反相器的結(jié)構(gòu)

反向器由NMOS和PMOS組成，柵端（G）相連作為輸入端，漏斷相連作為輸出端，NMOS的源端接地，PMOS的源端接電源VDD.

反相器的電壓、電流傳輸特性

AB：T1導(dǎo)通T2截止

BC：T1T2導(dǎo)通

CD：T1截止T2導(dǎo)通

VTC（Voltage Transfer Characteristics）曲線：

VTC的形狀基本上與高于閾值的操作相同。VTC陡峭部分的斜率取決于反向器的亞閾值斜率。

其中涉及到的的四個(gè)重要參數(shù)：

VIH：輸入電壓由高到低變化時(shí)，輸出電壓開(kāi)始上升且傳輸特性曲線斜率為-1的點(diǎn)，即圖中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。（仍能維持輸出為邏輯 “0” 的最小輸入電壓）

VIL：輸入電壓由低到高變化時(shí)，輸出電壓開(kāi)始下降且傳輸特性曲線斜率為-1的點(diǎn)，即圖中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。（仍能維持輸出為邏輯 “1” 的最大輸入電壓）

VOH：定義為最小合格高電平。（維持輸出為邏輯“1”的最小輸出電壓）

VOL：定義為最大合格低電平。（維持輸出為邏輯“0”的最大輸出電壓）

CMOS集成電路內(nèi)部規(guī)定Vol = 0v，Voh = Vdd。

反相器的噪聲容限（VTC曲線）

噪聲容限定義：

輸入為高電平的噪聲容限：VNH=VOH-VIH

輸入為低電平的噪聲容限：VNH=VIL-VOL

反相器的亞穩(wěn)態(tài)

當(dāng)反相器輸入電壓（Vil+Vih）/2接近于0.5Vdd，CMOS反相器的閾值電壓也接近于0.5Vdd，這樣輸出不確定會(huì)是高電平還是低電平，輸出呈亞穩(wěn)態(tài)！

對(duì)于下面如下首尾相連的反向器結(jié)構(gòu)：

圖中的SNN即為靜態(tài)噪聲容限，方框面積越大，表示容限越大。

并且此電路只能工作在三種狀態(tài)，分別是三個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)狀態(tài)不在這三種狀態(tài)時(shí)，輸入、輸出會(huì)將它們拉向兩端。

反相器的動(dòng)態(tài)特性

1）先解釋兩個(gè)名詞：

1、Transition Time（轉(zhuǎn)換時(shí)間）：

上升時(shí)間tr：從10%Vdd上升到90%Vdd的時(shí)間，

下降時(shí)間tf：從90%Vdd下降到10%dd的時(shí)間。

上升時(shí)間和下降時(shí)間統(tǒng)稱為Transition Time，也有定義為20%到80%。

2、Propagation Delay（傳播延時(shí)）：

在輸入信號(hào)變化到 50%Vdd到輸出信號(hào)變化到50%Vdd之間的時(shí)間。

2）動(dòng)態(tài)功耗

反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中，將產(chǎn)生附加的功耗，即動(dòng)態(tài)功耗。

動(dòng)態(tài)功耗包括：負(fù)載電容充放電所消耗的功率Pc和PMOS、NMOS同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT。

在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動(dòng)態(tài)功耗要比靜態(tài)功耗大得多，靜態(tài)功耗可以忽略不計(jì)。

總功耗為P=PT+Pc

扇入（fan-in）和扇出（fan-out）

扇入：是指直接調(diào)用該模塊的上級(jí)模塊的個(gè)數(shù)。扇入大表示模塊的復(fù)用程序高。

扇出：是指該模塊直接調(diào)用的下級(jí)模塊的個(gè)數(shù)。扇出大表示模塊的邏輯復(fù)雜度高，需要控制和協(xié)調(diào)過(guò)多的下級(jí)模塊；對(duì)于一定扇出數(shù)的電路，電路的工作頻率隨之確定，一般工作頻率越高，扇出數(shù)越小。

在低頻（< 1MHz）的工作條件下，CMOS電路的扇出數(shù)可以達(dá)到50以上。因此。扇入越大越好，扇出越大越壞。在設(shè)計(jì)中，盡量減小扇出。

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