【數字電路】反相器基礎知識圖文-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-09-21
反相器是數字電路中最基本的門電路之一，由NMOS和PMOS組成。
反相器的結構
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導通T2截止
BC：T1T2導通
CD：T1截止T2導通
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重要參數：
VIH：輸入電壓由高到低變化時，輸出電壓開始上升且傳輸特性曲線斜率為-1的點，即圖中B點對應的輸入電壓。（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，輸出電壓開始下降且傳輸特性曲線斜率為-1的點，即圖中A點對應的輸入電壓。（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集成電路內部規定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
反相器的亞穩態
當反相器輸入電壓（Vil+Vih）/2接近于0.5Vdd，CMOS反相器的閾值電壓也接近于0.5Vdd，這樣輸出不確定會是高電平還是低電平，輸出呈亞穩態！
對于下面如下首尾相連的反向器結構：
圖中的SNN即為靜態噪聲容限，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，分別是三個交點，當狀態不在這三種狀態時，輸入、輸出會將它們拉向兩端。
反相器的動態特性
1）先解釋兩個名詞：
1、Transition Time（轉換時間）：
上升時間tr：從10%Vdd上升到90%Vdd的時間，
下降時間tf：從90%Vdd下降到10%dd的時間。
上升時間和下降時間統稱為Transition Time，也有定義為20%到80%。
2、Propagation Delay（傳播延時）：
在輸入信號變化到 50%Vdd到輸出信號變化到50%Vdd之間的時間。
2）動態功耗
反相器從一種穩定狀態突然變到另一種穩定狀態的過程中，將產生附加的功耗，即動態功耗。
動態功耗包括：負載電容充放電所消耗的功率Pc和PMOS、NMOS同時導通所消耗的瞬時導通功耗PT。
在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動態功耗要比靜態功耗大得多，靜態功耗可以忽略不計。
總功耗為P=PT+Pc
扇入（fan-in）和扇出（fan-out）
扇入：是指直接調用該模塊的上級模塊的個數。扇入大表示模塊的復用程序高。
扇出：是指該模塊直接調用的下級模塊的個數。扇出大表示模塊的邏輯復雜度高，需要控制和協調過多的下級模塊；對于一定扇出數的電路，電路的工作頻率隨之確定，一般工作頻率越高，扇出數越小。
在低頻（< 1MHz）的工作條件下，CMOS電路的扇出數可以達到50以上。因此。扇入越大越好，扇出越大越壞。在設計中，盡量減小扇出。
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