详细讲解cmos反相器的原理及特点

第五章 CMOS 反相器 第一节 对逻辑门的基本要求（1）鲁棒性（用静态或稳态行为来表示）静态特性常常用电压传输特性（VTC）来表示（即输出与输入的关系）， 传输特性上具有一些重要的特征点。

逻辑门的功能会因制造过程的差异而偏离设计的期望值。

V(y) 电压传输特性（直流工作特性）VOH fV(y)=V(x)VM开关阈值VOL VOL VOHVOH = f(VOL) VOL = f(VOH) VM = f(VM)V(x)额定电平2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第1页（2）噪声容限：芯片内外的噪声会使电路的响应偏离设计的期望值 （电感、电容耦合，电源与地线的噪声）。

一个门对于噪声的敏感程度由噪声容限表示。

可靠性―数字集成电路中的噪声v(t) i(t)V DD电感耦合电容耦合电源线与地线噪声噪声来源： （1）串扰 （2）电源与地线噪声 （3）干扰 （4）失调 应当区分： （1）固定噪声源 （2）比例噪声源 浮空节点比由低阻抗电压源驱动的节点更易受干扰 设计时总的噪声容限分配给所预见的噪声源2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第2页噪声容限（Noise Margin）V“1” V OH V IHout OH 斜率 = -1V不确定区 斜率 = -1ILV “0” VVOLOL V IL V IH V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第3页噪声容限定义"1"噪声容限（Noise Margin） 容许噪声的限度V IH高电平 噪声容限VOHNM H未定义区 低电平 噪声容限V OL "0" NM L V IL抗噪声能力（Noise Immunity） 抑止噪声的能力门输出门输入2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第4页理想逻辑门V outg=∞Ri = ∞ Ro = 0 Fanout = ∞ NMH = NML = VDD/2V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第5页早期的逻辑门5.0 4.0 3.0 2.0 VM 1.0 NM H NM L0.01.02.03.0 V in (V)4.05.02004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第6页（3） “再生”特性：逻辑门的“再生”特性使被干扰的信号能恢复到名义 的逻辑电平。

图1 CMOS反相器
（a）结构示意图（b）电路图
]
,[)(DD SS I P th GS V V V V ∈+
当V I =V IL =0时
当V I =V IH =V DD 时
⎪⎩⎪⎨⎧<=>=N
th GS GS GS P th GS DD GS V v v V V v )(21)(10)(为负且⎪⎩⎪⎨⎧>=<=N
th GS DD GS P
th GS GS V V v V v )(2)(10输出V=V OH ≈V DD
输出V=V OL ≈0
Vo
静态功耗低
噪声容限高
工作速度快
在CMOS 反相器中，无论电路处于何种状态，T N 、T P 中总有一管截止，所以其静态功耗极低，有微功耗电路之称。

CMOS 反相器的阈值电压U TH =V DD /2,即两管状态在v I =V DD /2处转换，因此其噪声容限接近50%。

CMOS 反相器工作时总有一管导通，且导通电阻较小，为低阻回路,所以带容性负载时，充放电速度很快，CMOS 反相器的t pd ≈10ns 。

cmos反相器工作原理
CMOS反相器是一种基于混合型CMOS技术开发的一种电路，它由一个
主要的反相器和周围电路组成。

它的工作原理是：输入端口输入电压必须
处于某一范围之内，它的输出端口电压高于输入端口的电压值，即输出一
个反向电压值，这就是CMOS反相器的作用原理。

CMOS反相器通常由几个主要的组件组成，这些组件包括p-型晶体管、n-型晶体管和金属氧化物半导体（MOSFET）。

反相器的输入端口会接受一
种电压值，这是输入电压，而晶体管和MOSFET会根据输入电压值来响应，一些形成周围电路的组件会根据所输入的电压来决定电流，最后将得到一
个反向的输出电压。

CMOS反相器的优点在于它的低功耗使得它可以用在节能类的电路中，并且它的体积小，结构简单以及可靠性高。

而且它输出电压的高低可以调节，因此它可以提高电路的灵活性和可靠性，也可以提高电路的稳定性。

什么？CMOS你还搞不明⽩？赶紧看过来！CMOS⼯作原理详解！⼀谈到CMOS，我估计⼤家⾸先想到的就是电脑的CPU，确实，CPU就是⼀个将⼏⼗亿个晶体管集成在⼀起的超级电路，最新报价酷睿I7-7700K太平洋上报价达到了恐怖的2799元，为什么值这么多钱？这与其采⽤了14nm⼯艺，主频达到4.2Ghz是分不开的，想想我笔记本的主频才1.6Ghz，就知道差距有多⼤了，如果你觉得差距不⼤，那我就再说⼀个数字，我买这台笔记本当时的价格还不到这款发烧级CPU价钱的2倍，这样的CPU，再配上顶级主板，顶级显卡，加上顶级内存，以及固态硬盘，再加上电源，机箱，以及⽜逼⼀点风冷后者⽔冷系统，光机箱价格估计就得过万了，这种存在于理想中的东西，想想挺好，哈哈，现实是买不起，买了估计掉价也⽐较快，尤其是显卡，很容易降价。

扯的有点远了，说回到CMOS来，我们没办法理解CPU这么个复杂的东西是怎么⼯作的，但是其最基本单元，MOSFET的⼯作原理是⼀定要懂的，因为⽤到MOSFET的产品可不仅仅只有CPU，⼀般的逻辑电路，数字电路，混合信号电路等等都要⽤到MOSFET，或者CMOS，这个时候如果你还不懂CMOS⼯作原理，就说不过去了，这个可是吃饭的本事啊！想想线上⼀⼤堆活在跑，如果不懂得CMOS⼯作原理，⼯艺中哪个步骤出问题了，会对器件有什么程度的影响不了解，或者最终WAT/PCM数据出来发现异常了，却不知道根据异常结果反推可能出问题的⼯艺步骤，那么分析问题将会是多么的困难啊！搞不好就混不下去了额~~所以说，深⼊理解CMOS的⼯作原理是必须，必要，以及必学的，过程虽然痛苦，结果是好的，所以，打起精神来，跟上我的思路，学起来其实并不难。

学CMOS⼯作原理前，先放⼀张CMOS反相器在这⾥，它的基本原理后⾯再讲，CMOS反相器就是⽆论输⼊端电压正负，都会有输出，相当于0/1切换，⽤处⾮常⼴泛。

下⾯开始介绍MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranistor，即⾦属氧化物半导体场效应晶体管。

cmos反相器电路结构CMOS反相器电路结构CMOS反相器是一种常见的数字逻辑门电路，用于将输入信号反转输出。

它由一对互补的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）组成，这些MOSFET分别被称为P型MOSFET和N型MOSFET。

CMOS反相器电路结构的设计使其能够实现低功耗、高噪声容限和较高的电压转换速度。

CMOS反相器电路由两个互补的MOSFET组成，一个是P型MOSFET，另一个是N型MOSFET。

P型MOSFET的栅极连接到输入信号，而N型MOSFET的栅极连接到P型MOSFET的反向输入信号。

源极和漏极分别通过电压源和接地连接。

在CMOS反相器中，当输入信号为低电平时，P型MOSFET导通，N型MOSFET截止，输出信号为高电平。

当输入信号为高电平时，P型MOSFET截止，N型MOSFET导通，输出信号为低电平。

因此，CMOS 反相器可以将输入信号反转输出。

CMOS反相器电路的优点之一是功耗较低。

由于只有在输入信号发生变化时，CMOS反相器才会消耗能量。

当输入信号保持不变时，MOSFET处于截止或导通状态，不会消耗能量。

这使得CMOS反相器非常适合用于低功耗应用，如移动设备和电池供电系统。

另一个优点是高噪声容限。

由于CMOS反相器电路中的MOSFET是互补的，当输入信号的电压接近电源电压时，会出现双门限效应。

这种效应可以提高抗噪声干扰的能力，使得CMOS反相器在噪声较多的环境中工作更加可靠。

CMOS反相器电路还具有较高的电压转换速度。

由于P型MOSFET和N 型MOSFET的导通和截止时间非常短，CMOS反相器可以在很短的时间内完成信号的反转。

这使得CMOS反相器非常适合用于高速数字电路中，如微处理器和通信系统。

总结一下，CMOS反相器电路结构由一对互补的MOSFET组成，通过控制MOSFET的导通和截止状态来实现输入信号的反转输出。

它具有低功耗、高噪声容限和较高的电压转换速度等优点，使得它成为数字电路设计中常用的逻辑门电路。