数字IC设计中的反相器：结构、特性与应用

数字IC设计中的反相器：结构、特性与应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/little_ox/article/details/118111194

反相器是数字电路中最基本的门电路之一，由NMOS和PMOS组成。它在数字电路设计中扮演着至关重要的角色，不仅能够实现逻辑信号的反转，还是构建更复杂逻辑电路的基础单元。本文将详细介绍反相器的结构、工作原理以及相关的重要参数。

一、反相器的结构

反相器由NMOS（N沟道金属氧化物半导体）和PMOS（P沟道金属氧化物半导体）组成，栅端（G）相连作为输入端，漏端相连作为输出端，NMOS的源端接地，PMOS的源端接电源VDD。

二、反相器的电压、电流传输特性

反相器的电压传输特性（VTC）曲线描述了输入电压与输出电压之间的关系。根据输入电压的不同，可以将VTC曲线分为以下几个区域：

• AB：T1导通T2截止
• BC：T1T2导通
• CD：T1截止T2导通

VTC的形状基本上与高于阈值的操作相同。VTC陡峭部分的斜率取决于反向器的亚阈值斜率。

其中涉及到的四个重要参数：

• VIH：输入电压由高到低变化时，输出电压开始上升且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中B点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑 “0” 的最小输入电压）
• VIL：输入电压由低到高变化时，输出电压开始下降且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中A点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑 “1” 的最大输入电压）
• VOH：定义为最小合格高电平。（维持输出为逻辑“1”的最小输出电压）
• VOL：定义为最大合格低电平。（维持输出为逻辑“0”的最大输出电压）

CMOS集成电路内部规定Vol = 0V，Voh = Vdd。

三、反相器的噪声容限（VTC曲线）

噪声容限定义：

• 输入为高电平的噪声容限：VNH=VOH-VIH
• 输入为低电平的噪声容限：VNL=VIL-VOL

四、反相器的亚稳态

当反相器输入电压（Vil+Vih）/2接近于0.5Vdd，CMOS反相器的阈值电压也接近于0.5Vdd，这样输出不确定会是高电平还是低电平，输出呈亚稳态！

对于下面如下首尾相连的反向器结构：

图中的SNN即为静态噪声容限，方框面积越大，表示容限越大。

并且此电路只能工作在三种状态，分别是三个交点，当状态不在这三种状态时，输入、输出会将他们拉向两端

五、反相器的动态特性

1. 转换时间（Transition Time）

• 上升时间tr：从10%Vdd上升到90%Vdd的时间
• 下降时间tf：从90%Vdd下降到10%Vdd的时间

上升时间和下降时间统称为Transition Time，也有定义为20%到80%。

2. 传播延时（Propagation Delay）

在输入信号变化到 50%Vdd到输出信号变化到50%Vdd之间的时间。

3. 动态功耗

反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即动态功耗。

动态功耗包括：

• 负载电容充放电所消耗的功率Pc
• PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT

在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可以忽略不计。

六、扇入（fan-in）和扇出（fan-out）

• 扇入：是指直接调用该模块的上级模块的个数。扇入大表示模块的复用程序高。
• 扇出：是指该模块直接调用的下级模块的个数。扇出大表示模块的逻辑复杂度高，需要控制和协调过多的下级模块。

对于一定扇出数的电路，电路的工作频率随之确定，一般工作频率越高，扇出数越小。在低频（< 1MHz）的工作条件下，CMOS电路的扇出数可以达到50以上。

因此，扇入越大越好，扇出越大越坏。在设计中，尽量减小扇出。