CMOS反相器的工作原理和电路结构

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CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

CMOS反相器的电路结构

当输入为高电压的时候，下半部分导通，输出端接地

当输入为低电压的时候，上半部分导通，输出端连接VDD

静态输入特性

从反相器输入端看进去输入电压与电流的关系

因为栅极和衬底之间存在着以二氧化硅为介质的输入电容，而绝缘介质又非常薄，极易被击穿，所以必须采取保护措施

在目前生产的CMOS电路中采取了各种各样的保护措施，其中最常见的就是

我们需要保证加到 T_1.T_2 上的电压都不超过 $V_{DD}+V_{DF}$

我们设计如上图所示的电路图，当电压 V_{DD}+V_{DF}” />

此时 D_1 上的压降大于 $V_{DF}$ ,二极管导通，相当于导线，此时该点处的电压就变为 $V_{DD}+V_{DF}$

下面的二极管原理也是同理

输出特性

从反相器输出端看进去的输出电压与输出电流的关系，称为输出特性

低电平输出特性

原先的想法：电流增大，压降增大，所以输出电压减小

CMOS管此时等效成可变电阻，得要用输出曲线来解释

后续一些其他补充介绍

NMOS

金属氧化物半导体场效应晶体管

这是一个什么样的结构呢？

对于N型增强型MOSFET

如果看到这个符号是一个N型增强型的MOSFET

一般认为是三端的元器件

gate端我们定义成栅极

drain端我们定义成漏极

source端我们定义成源极

对于MOSFET来说，我们用电信号来代替力学信号

当栅极和源极之间的电压差大于某一个数的时候就是导通的

力控开关就是力到达某一程度，开关导通

对于MOSFET来说也是一样的

=V_T”>那么则是导通的

$V_{GS} < V_T$ 那么则是不导通的

用电压值来控制开关，我们就更加容易实现电路逻辑了

MOSFET的开关模型

DS之间会形成一个源漏电流， $i_{GS}$ 非常非常小， $\approx 0$ ，一直是接近于，几乎可以等同于0

D,S就是开关的一个输入和输出

D端和S端是对称的，因而 $i_{GD}=i_{GS}$

这个MOSFET相当于是一个电控的开关，开关特性完全类似于力控开关，力控开关可以实现逻辑门的运算还有功能，我们用电控开关一样可以实现功能

这个MOSFET可以等同于力控开关

V_T,V_{in}= ‘0’” />

$V_{in}<V_T,V_{in}= 'V_s'$

$V_{out}=\overline{V_{in}}$

我们把高电压定义为数字逻辑1，低电平定义成数字逻辑0

推广一下可以得到

举例：

对于NMOS形成的逻辑门来说，这个操作形成的是或

大家以后看到这样的电路，可以直接写出表达式

如果逻辑门采取的是这样的构型，下面是通过NMOS的串并联，那么结果上肯定始有非的

Gate，Drain，Source并不是一个平面结构，而是一个立体的结构

在drain和source我们写了一个,是一个非常重的N型掺杂

画斜杠的这一层就是meta，箭头指的地方就是氧化层，再往下就是S结构

Source和Drain之间是有距离的，我们定义成代表 $Channel \ Length$

电流不仅取决于长度，也取决于

当这个MOSFET导通的时候，电流在L上流动，L越小， $I_{DS}$ 就会越大

越小，越大，电流才会越大

现实生活中MOSFET的截面图

侧墙是为了保护氧化物这一层的

当 $V_{GS}$ 比较小的时候，沟道呈现高阻态，所以电流不导通

输出特性曲线

现在可以看出来

晶体管导通的时候D和S之间并不是短路，至少是有一个电阻

总结

在饱和区的时候， $I_{DS}$ 不受 $V_{DS}$ 控制，受到 $V_{GS}$ 控制，像是一个压控电流源

此时我们就可以用电流源的符号来等效MOSFET

在这个时候，我们就会发现压控电流源，在现实生活中是存在的，只是并不是线性的受控电流源

在线性区的时候，等效于一个电阻， $V_{DS}$ 和 $I_{DS}$ 类似线性模型，此时重点就在于 $R_{ON}$ ，这个取决于电路结构

$R_{ON}$ 受到 $V_{GS}$ 的控制，栅压越大，导通性能就会越好，电阻值就会越小

MOSFET的SCS模型

SCS模型可以用来做放大

如果要用来做放大，我们一定要让他工作在饱和区

否则工作在线性区，我们不能让它和输入电压构成关系

所以我们一定要千方百计让它一定要工作在饱和区，这样才能实现一个类似放大器的功能

MOSFET的SR模型

SR模型主要是用在数字电路中的

我们下面简单来做一个对比

导通的时候，肯定不是短路

对于模型来说，导通的时候就是一个电阻，用在MOSFET开关电路中

SR模型更加贴近MOSFET的实际情况，S模型是一个理想化的模型，在现实生活中用的比较少

当然如果外接电阻非常大的话，我们一样也可以忽略这些

进一步分析

我们需要 $R_{ON}$ 比较小， R_L 比较大，我们才能够满足需求

但是不管用S模型还是SR模型都是相对比较容易的

例子

PMOS

PMOS在属性上和NMOS相反，大家只需要记住相反的结论就可以了

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

互补型MOSFET技术

NMOS和PMOS连接起来就是CMOS（互补型电路）

下面和地相接的是NMOS，上面和电源相接的是PMOS

不管是上面在工作，还是下面在工作，他都没有形成通路

引入CMOS大大降低了功耗，永远都不能形成 V_s 到地的通路

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CMOS反相器的工作原理和电路结构

CMOS反相器的电路结构

静态输入特性

输出特性

后续一些其他补充介绍

NMOS

MOSFET的开关模型

现实生活中MOSFET的截面图

输出特性曲线

总结

MOSFET的SCS模型

MOSFET的SR模型

进一步分析

例子

PMOS

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

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