CMOS反相器

Posted 2022-02-05 硬件老钢丝

一、COMS反相器的工作原理

  我们利用Cadence软件对反相器进行仿真，其基本结构如下：上面是一个PMOS，下面是一个NMOS。

  为了保证电路能够正常工作，电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即VDD》VTH_n+|VTH_p|。

  下图为一个CMOS反相器的基本分析，对于一个输入U1为高电平时，NMOS导通，PMOS截止，因此 此时的 输出U0由于NMOS导通的关系，呈现GND电位，也就是低电平；当输入U1为低电平时，NMOS截止，PMOS导通，U0的电位与VDD一致。因为整体来看，不管V1呈现高电位还是低电位，出来的总是反相的电位。（我们这里一般都是说的稳定高电平和稳定低电平的时候，电流几乎为0）

为了更好地分析电路的工作状态，我们进行如下的分析。
1、U1输入为0时，N管截止，P管导通，从而导致整个上下通路是断路，所以ID=0，U0=VDD；
2、U1输入增大到VTn时，N管导通，并且P管也是导通的；
3、U1输入在VTn到VDD/2之间时，N管由于是从截止变化，所以他的等效阻抗开始减小，P管开始像截止区迈进，进而等效阻抗开始变大；
4、U1=VDD/2时，RN+RP等效阻抗是最小的，也就是说明这个ID应该是最大大的；
5、U1输入在VDD/2到VDD-|VTp|之间时，N管等效阻抗越来越小，P管逐渐趋于截止，整体的UO趋于低电位；
6、U1输入为VDD-|VTp|时.P管临界截止
7、U1输入到VDD-|VTp|到VDD之间，N管导通，P管截止，直到VDD，此时U0的输出呈现GND电位。
下图整好展现了这种现象。（这里是数字电路里面的分析，用高低电平来分析的，模拟分析是类似的。）

模拟里面的分析可以用下图所示

二、仿真验证

我们搭建了下图所示的电路（chris讲的）

考虑到N管和P管的电子迁移率问题，这里设置P管得栅宽W为N管栅宽的二倍，保持L一致，从而保证电流基本一致。


然后搭建仿真电路，数据都可以看Chris的视频去设置。

我们采用矩形输入波形，占空比为50%的波形。
可以看到输入输出电压呈现反相。

顺便看一下电流波形，可以看出电流的最大值出现在翻转的中心处。完美的验证了我们的理论。