CMOS反相器的基本特性详解

本文以CMOS反相器为例来分析反相器的基本工作特性。

为了分析简便，假设V_TP=-V_TN（这里V_TP指PMOS晶体管的域值电压），并且PMOS晶体管的沟道宽度是NMOS晶体管的2～3倍。

图4-2 CMOS反相器电路

根据MOS晶体管的基本工作状态，CMOS反相器的工作状态可以分为5个区域。

：0≤V_I≤V_TN，在该区间内，NMOS晶体管截止，PMOS晶体管处于线性区，输出电压是V_O=V_DD。

：V_TN≤V_I＜V_DD/2，在该区间内，PMOS晶体管工作在线性区，而NMOS晶体管工作在饱和区，PMOS晶体管相当于一个电阻，NMOS晶体管相当于一个电流源。令V_GS=V_I，可得到NMOS晶体管的饱和电流I_DSN：

I_DSN=k_N（V_I-V_TN）² （4-2）

其中，。

式中，k_N是NMOS晶体管的k因子；β_N是NMOS晶体管的β因子；W_N是NMOS晶体管的沟道宽度；L_N是NMOS晶体管的沟道长度。

对于PMOS晶体管而言，V_GS=V_I-V_DD，V_DS=V_O-V_DD，所以电流为

I_DSP=-k_P[2（V_I-V_DD-V_TP）（V_O-V_DD）-（V_O-V_DD）²] （4-3）

其中，

式中，k_P是PMOS晶体管的k因子；β_P是PMOS晶体管的β因子；μ_P是空穴的迁移率；W_P是PMOS晶体管的沟道宽度；L_P是PMOS晶体管的沟道长度。(www.xing528.com)

因为I_DSN=-I_DSP，所以输出电压可以表示为

C区：V_I=V_DD/2，在该区中NMOS晶体管和PMOS晶体管都处于饱和状态，两个晶体管的饱和电流表示如下：

根据I_DSN=-I_DSP，得到，令k_N=k_P，V_TP=-V_TN，就可以得到V_I=V_DD/2。

输出电压的范围为V_I-V_TN＜V_O＜V_I-V_TP。

：V_DD/2＜V_I≤V_DD+V_TP，在该区内，PMOS晶体管处于饱和，NMOS晶体管处于线性工作区，两个电流可以写为

I_DSP=-k_P（V_I-V_DD-V_TP）²

I_DSN=-k_N[2（V_I-V_TN）V_O-V²_O]

根据I_DSP=-I_DSN，可得到

：V_DD+V_TP≤V_I＜V_DD，在该区PMOS晶体管截止，NMOS晶体管工作在线性区，V_O=0。

每个区的情况可以由CMOS反相器直流特性示意图（见图4-3）给出。

具体的数学计算，不再推导，如果大家感兴趣，可以查阅相关资料。