CMOS反相器电路设计
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经典文
论文题目：CMOS反相器电路设计、仿真及版图设计学生姓名：欧阳倩
学号：20131060189
专业：通信工程
任课教师：梁竹关
摘要：本文着重介绍了LTspice和LASI软件的相关设计原理和简单的设计操作，对此，我首先将从电路的工作原理方面介绍CMOS4反相器的结构、特性及其电路工作原理。
了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。
然后我选择利用LTspice来进行CMOS反相器的设计仿真以此来证实其设计正确性，之后采用LASI画出符合工业设计的CMOS反相器的版图。
通过本次设计实验可以更加了解CMOS4反相器的工作原理，并掌握了CMOS4反相器的基本设计方法。
关键词：CMOS反相器LTspice LASI版图设计封装测试
目录
第一章引言 (4)
第二章CMOS反相器 (4)
2.1 CMOS反相器的结构原理 (4)
2.2 CMOS反相器的特性分析 (5)
第三章CMOS反相器的电路仿真 (8)
3.1 CMOS反相器的电路图设计 (9)
3.2 CMOS反相器的仿真及结果分析 (11)
第四章CMOS反相器的版图设计 (12)
结束语 (20)
参考文献 (21)
引言
现在是一个电子信息高速发展得时代，电子产品无处不在，我们也越来越离不开各式各样的电子产品，集成电路作为电子产品的核心同样也受到了重视，电子设计也是当今社会的一大焦点问题，怎样才能设计出集性能、高效、便捷、低价为一体的电路器件又是当下人们急需解决的任务，因此培养集成设计人才也是众多高校重视的任务。
以MOS管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。
由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。
与TTL门电路相比，MOS门电路的速度较低。
MOS门电路有三种类型：使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS管的CMOS电路。
其中CMOS性能更优，因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。
利用CMOS逻辑电路就可以设计出各种功能的逻辑电路，与非门就是其中比较简单的一种。
集成电路设计主要有电路设计和版图设计两个主要内容。
对于如此复杂高要求的工艺技术，我们在此只简单使用LTspice来设计仿真CMOS反相器，。
经过仿真，此设计的CMOS反相器的功能得以实现，实现输入与输出的反向功能，并验证其设计正确性，然后利用LASI来画出CMOS反相器的版图，同时在版图设计时采用结构化和层次化的设计思想，从而简化版图的设计。
利用Lasi 软件，可以充分认识到，CMOS4反相器的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一步完善对CMOS4反相器参数的设计。
最终利用现在已有的规则对设计的版图进行检测，看其是否满足现有的基本规则，经过检测，此次设计基本满足设计规则。
由于是初学者，对相关知识缺乏足够的认识，希望能通过这次的设计实验能够学会集成电路设计的相关知识，并且能够基本掌握相关设计烦躁==仿真软件的使用，出错在所难免，希望老师可以提出批评及建议。
第二章CMOS反相器
2.1 CMOS反相器的结构
两个MOS管的开启电压V GS(th)P<0，V GS(th)N >0，通常为了保证正常工作，要求
V DD>|V GS(th)P|+V GS(th)N。
若输入v I为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近V DD。
若输入v I为高电平(如V DD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。
综上所述，当v I为低电平时v o为高电平；v I为高电平时v o为低电平，电路实现了非逻辑运算，是非门——反相器。
图一反相器
CM OS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。
通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。
这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。
处理速率也能得到很好的提高，因为与NMOS型和PMOS型反相器相比，CMOS反相器的电阻相对较低。
图二逻辑符号
图三 CMOS反相器工作原理图
电路图工作原理
当Ui=UIH=VDD,VTN导通,VTP截止,Uo=Uol≈0V
当Ui=UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO=UOH≈VDD
2.2、COMS反相
器的特性
CMOS反相器特点：
v IN 作为PMOS和
NMOS的共栅极；
v OUT 作为共漏极；
图四说明例图
v DD 作为PMOS的源极
和体端；
GND作为NMOS的源极和体端；
2.2 CMOS反相器的特性分析
①电压传输特性和电流传输特性
(1)CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。
图五CMOS反相器电压传输特性
工作区Ⅰ：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。
工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。
工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。
(2)CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于
饱和导通状态，会产生一个较大的电流。
其余情况下，电流都极小。
图六CMOS反相器电流传输特性
②输入特性与输出特性
（1）输入特性
为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。
由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。
考
虑输入保护电路后，CMOS 反相器的输入特性如图七所示：
图七 CMOS 反相器输入特性
（2） 输出特性 a.低电平输出特性
当输入v I 为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流I OL 灌入输入管，如图八所示。
灌入的电流就是N 沟道管的i DS ，输出特性曲线如图九所示。
输出电阻的大小与v GSN (v I )有关，v I 越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。
图八 输出低电平等效电路 图九 输出低电平时特性
b.
高电平输出特性
当输入v I 为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图十所示。
输出电压V OH =V DD -v SDP ，拉电流I OH 即为i SDP ，输出特性曲线如图十一所示。
由曲线可见，|v GSP |越大，负载电流的增加使V OH 下降越小，带拉电流负载能力就
③电源特性
CMOS 反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。
静态功耗非常小，通常可忽略不计。
CMOS 反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态
v O =V OL V DD T N
R L
v I =V DD T P
I OL v
O
V
i －
V OL (v DSN ) v I (v GSN )
(i DSN ) I OL V OH V DD
T N R L v I =0 T P
I OH 图十 输出高电平等效电路
图十一 输出高电平时特性v SD
O I
OH v GS
V D
功耗比静态功耗大得多。
当CMOS反相器工作在第Ⅲ工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗P T。
此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。
第三章CMOS反相器的电路仿真
3.1 CMOS反相器的电路图设计
第一步：首先利用LTspice进行电路图设计的仿真，步骤如下：
1、添加pmos(nmos管同理)：
注意:其中，mos管的初始方向都是同向的，所以PMOS要旋转＋倒置，其中CTRL+R的功能是旋转，而ctrl+E的功能是镜像的作用。
如图所示：
2、设置两mos管的参数：
将鼠标移至PMOS或者NMOS管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会出现MOS管的设置窗口，本文将参数均设置为0.12u。
3、在电路输入界面中的EDIT下拉菜单中找到Draw Wire或点击工具栏图标
，可以实现原件互连。
而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择Label
Net，设置相应的标签或者点击工具栏图标可放置地线，点击工具栏图标
可以添加并设置输入/输出口。
布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：
4、封装：。
