反相器的電壓傳輸特性

【反相器的電壓傳輸特性】反相器的電壓傳輸特性理想反相器電路的直流電壓傳輸特性（VTC）如圖所示。電壓傳輸特性的英文簡(jiǎn)稱是VTC，代表了VoltageTransferCharacteristic.Vth是反相器門(mén)限電壓。對(duì)于0到Vth=VDD/2之間的任意輸入電平，輸出電壓均為VDD（邏輯“1”）。當(dāng)輸入為Vth時(shí)，輸出從VDD跳變?yōu)?。對(duì)于在Vth到VDD之間的任意輸入電平，輸出電壓均為“0”（邏輯“0”）。所以，理想反相器在輸入電平為0VinVth時(shí)，輸出為邏輯“1”，輸入電平為VthVinVDD時(shí)，輸出為邏輯“0”。實(shí)際反相器電路的直流特性與理想特性在很大程度上有所不同。對(duì)CMOS反相器的VTC形狀的準(zhǔn)確估計(jì)和處理是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分。電壓傳輸特性Vth是反相器門(mén)限電壓。對(duì)于0到Vth=VDD/2之間的任意輸入電平，輸出電壓均為VDD（邏輯“1”）。當(dāng)輸入為Vth時(shí)，輸出從VDD跳變?yōu)?。對(duì)于在Vth到VDD之間的任意輸入電平，輸出電壓均為“0”（邏輯“0”）。VoltageTransferCharacteristic在第二單元中我們學(xué)習(xí)了n溝道MOS管的電壓-電流特性，下面我們看一下靜態(tài)CMOS反相器中NMOS和PMOS管的負(fù)載曲線，如圖所示。這些紅色的曲線表示NMOS管的電壓-電流特性，而這些綠色的曲線代表了PMOS管的電壓-電流特性。為使一個(gè)dc工作點(diǎn)成立，通過(guò)NMOS和PMOS器件的電流必須相等。用圖解法時(shí)這意味著dc工作點(diǎn)必須處在兩條相應(yīng)負(fù)載線的交點(diǎn)上。我們用圓點(diǎn)代表各種輸入電壓下的dc(直流)工作點(diǎn)。圖上標(biāo)記了許多這樣的點(diǎn)（對(duì)Vin=0,0.5,1,1.5,2和2.5V）?？梢钥吹?，所有的工作點(diǎn)不是在高輸出電平就是在低輸出電平上。反相器的電壓傳輸特性反相器的電壓傳輸特性VinVout0.511.522.50.511.522.5橫坐標(biāo)為輸入電壓Vin，縱坐標(biāo)為輸出電壓Vout，將靜態(tài)工作點(diǎn)的坐標(biāo)置于該坐標(biāo)體系中，然后將這些工作點(diǎn)連起來(lái)，得到一條紅色的曲線，該曲線就是CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線。從圖中，我們可以觀察到：反相器的VTC(電壓傳輸特性)顯示出具有非常窄的過(guò)渡區(qū)。這是由于在開(kāi)關(guān)過(guò)渡期間的高增益造成的，此時(shí)NMOS和PMOS同時(shí)導(dǎo)通且處于飽和狀態(tài)。在這一工作區(qū)，輸入電壓的一個(gè)很小變化就會(huì)引起輸出的很大改變。與理想反相器的傳輸特性大體相似，但是有幾個(gè)顯著的不同點(diǎn)需要特別注意。輸出電平的下降并不像理想反相器VTC特性中那樣是垂直下降的，而是有一個(gè)過(guò)渡。反相器的VTC(電壓傳輸特性)顯示出具有非常窄的過(guò)渡區(qū)。這是由于在開(kāi)關(guān)過(guò)渡期間的高增益造成的，此時(shí)NMOS和PMOS同時(shí)導(dǎo)通且處于飽和狀態(tài)。在這一工作區(qū)，輸入電壓的一個(gè)很小變化就會(huì)引起輸出的很大改變。所有這些觀察結(jié)果都可以用VTC形式顯示在圖中。與理想反相器的傳輸特性大體相似，但是有幾個(gè)顯著的不同點(diǎn)需要特別注意。輸出電平的下降并不像理想反相器VTC特性中那樣是垂直下降的，而是有一個(gè)過(guò)渡。

CMOS的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為互補(bǔ)推拉式。當(dāng)高電平輸入時(shí)，nMOS晶體管驅(qū)動(dòng)（下拉）輸出節(jié)點(diǎn)，pMOS晶體管充當(dāng)負(fù)載；當(dāng)?shù)碗娖捷斎霑r(shí)，pMOS晶體管驅(qū)動(dòng)（上拉）輸出節(jié)點(diǎn)而nMOS晶體管充當(dāng)負(fù)載。因此，兩個(gè)器件對(duì)電路工作性能的貢獻(xiàn)是等同的。與其他類型的反相器相比，CMOS反相器有兩個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)可能也是最重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是CMOS反相器電路的穩(wěn)態(tài)功耗，除了泄露電流引起的很小的功耗外，實(shí)際上都可以忽略。但是，正如前面提到的，在深亞微米技術(shù)中的亞閾值泄露電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。而在目前所有已研究的其他反相器電路結(jié)構(gòu)中，在驅(qū)動(dòng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，來(lái)自電源的非零穩(wěn)態(tài)電流都將導(dǎo)致較大的DC功耗。CMOS另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在電壓傳輸特性（VTC）中輸出電壓完全在0～VDD之間變動(dòng)，且VTC過(guò)渡區(qū)通常十分陡峭。因此，CMOS反相器的VTC接近理想反相器。CMOS的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為互補(bǔ)推拉式。當(dāng)高電平輸入時(shí)，nMOS晶體管驅(qū)動(dòng)（下拉）輸出節(jié)點(diǎn)，pMOS晶體管充當(dāng)負(fù)載；當(dāng)?shù)碗娖捷斎霑r(shí)，pMOS晶體管驅(qū)動(dòng)（上拉）輸出節(jié)點(diǎn)而nMOS晶體管充當(dāng)負(fù)載。因此，兩個(gè)器件對(duì)電路工作性能的貢獻(xiàn)是等同的。與其他類型的反相器相比，CMOS反相器有兩個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)可能也是最重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是CMOS反相器電路的穩(wěn)態(tài)功耗。但是，正如前面提到的，在深亞微米技術(shù)中的亞閾值泄露電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。而在目前所有已研究的其他反相器電路結(jié)構(gòu)中，在驅(qū)動(dòng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，來(lái)自電源的非零穩(wěn)態(tài)電流都將導(dǎo)致