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数字CMOS集成电路设计基础
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
MOS晶体管的开关模型
CMOS反相器的开关模型
Vin=VDDVin=0
PMOS截止导通
NMOS导通截止
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
CMOS反相器的版图
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
CMOS反相器的电压传输特性（VTC）
电压传输特性(VTC)的性质和形状可以通过图解法迭加NMOS和PMOS器件的电流特性来得到。
这样的一个图形结构通常称为负载曲线图。它要求把NMOS和PMOS器件的I-V曲线转换到一组
公共坐标上。我们以输入电压V，输出电压V和NMOS漏电流I作为选择的变量，于是
inoutDN
PMOS的I-V关系就可以通过以下关系转换到这一变量空间中(下标n和p分别表示NMOS和PMOS
器件):
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
CMOS反相器的电压传输特性（VTC）
PMOS器件的负载曲线可以通过对x轴求镜像并向右平移V来得到。这一过程概括在图中,
DD
它显示了将原先的PMOSI-V曲线调整至公共坐标系V,V和I的一系列步骤。
inoutDn
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
CMOS反相器的电压传输特性（VTC）
迭加所得到的负载线画在下图（左）中。为使一个dc工作点成立,通过NMOS和PMOS器件的电
流必须相等。用图解法时这意味着dc工作点必须处在两条相应负载线的交点上。
可以看到，所有的工作点不是在高输出电平就是在低输出电平上。因此反相器的VTC显示出具有
非常窄的过渡区。这是由于在开关过渡期间的高增益造成的，此时NMOS和PMOS同时导通且处于饱
和状态。在这一工作区,输入电压的一个很小变化就会引起输出的很大改变。
4.1.1静态CMOS反相器——转换过程晶体管状态
静态CMOS反相器动态特性的开关模型
在对CMOS反相器的工作进行细节分析之前,最好先对这个门的
瞬态特性进行定性分析。这一响应主要由门的输出电容C决定,它
L
包括NMOS和PMOS晶体管的漏扩散电容、连线电容以及扇出门的
输入电容。
暂且假设晶体管的切换是瞬时发生的,我们可以再次利用简化
的开关模型来得到一个近似的瞬态响应的概念。首先考虑由低至高
的过渡。门的响应时间是由通过电阻R充电电容C所需要的时间决
pL
定的。在例4.5中,我们了解到这样一个电路的传播延时正比于时间
常数RC。
pL
因此,一个快速门的设计是通过减小输出电容或者减小晶体管的
导通电阻实现的。后者可以通过加大器件的W/L比来到。
本节结束
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